近距離煤柱下巷道圍巖裂隙演化規(guī)律研究

劉洪林，李國棟，王宏志

（1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046；2.新疆大學(xué) 礦產(chǎn)資源生態(tài)環(huán)境保護(hù)性開采自治區(qū)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊830047）

我國近距離煤層儲量豐富、開采比重大[1-3]。近距離煤層回采巷道受圍巖應(yīng)力、支護(hù)手段等因素影響控制難度大，易引發(fā)片幫、冒頂?shù)仁鹿蔥4-6]。同時(shí)，許多專家學(xué)者針對近距離煤層巷道變形失穩(wěn)及控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得了豐富的研究成果。近距離煤層周圍空間應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，造成遺留煤柱應(yīng)力集中并向底板非均勻傳遞[7-8]。受遺留煤柱底板非均勻荷載作用，巷道圍巖易因局部破壞而使支護(hù)體結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)[9]。一般認(rèn)為，將下位煤層巷道布置在遺留煤柱邊緣應(yīng)力降低區(qū)易于維護(hù)[10-12]。許多學(xué)者[13-14]以上下煤層間距為依據(jù)，將下位煤層回采巷道劃分為不同類型，對于特定類型巷道動態(tài)設(shè)計(jì)支護(hù)形式及參數(shù)，可顯著改善下位回采巷道維護(hù)難題。然而，下位煤層巷道穿越上部遺留煤柱時(shí)，不可避免受遺留煤柱不均勻、高應(yīng)力影響，極易出現(xiàn)大變形破壞甚至沖擊礦壓等動力災(zāi)害[15-17]，嚴(yán)重影響下位煤層正常高效開采。山西省臨汾市登茂通煤礦由于礦井資源整合和開拓形式改變等原因，造成3#煤層3103工作面進(jìn)風(fēng)巷斜穿2#煤層遺留區(qū)段煤柱，巷道出現(xiàn)大變形結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。目前有效解決該類穿越遺留煤柱巷道大變形的研究成果較少，針對3103 工作面進(jìn)風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定性問題，構(gòu)建UDEC-Trigon 數(shù)值模型[18-20]，分析斜穿遺留煤柱巷道圍巖變形破壞及裂隙演化特征，揭示煤柱下巷道圍巖損傷裂隙擴(kuò)展進(jìn)而引起災(zāi)變原因，為同類礦區(qū)圍巖穩(wěn)定性控制提供借鑒與指導(dǎo)。

1 工程概況

登茂通礦主采3#煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，平均厚度1.84 m，埋深350 m，地層走向NE，傾向SE，傾角0°～8°，平均5°，2#、3#煤層平均層間距為7 m，且上位2#煤層已開采完畢。3103 工作面進(jìn)風(fēng)巷為復(fù)用巷道，初期服務(wù)于3102 工作面的瓦斯抽放巷道，后期作為3103 工作面回采期間的進(jìn)風(fēng)巷。由于礦井資源整合和開拓形式改變等原因，造成3103 工作面進(jìn)風(fēng)巷斜穿2#煤層區(qū)段煤柱，3103 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)，出現(xiàn)大變形破壞現(xiàn)象，維護(hù)極為困難，3103 工作面進(jìn)風(fēng)巷采掘工程示意圖如圖1。

2 構(gòu)建登茂通礦UDEC-Trigon 數(shù)值模型

為了分析登茂通礦煤柱下巷道圍巖變形破壞和裂隙演化特征，采用離散元UDEC-Trigon 方法[18-20]模擬圍巖裂縫的產(chǎn)生、傳播和聚結(jié)的規(guī)律。根據(jù)礦井具體生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立相應(yīng)UDEC-Trigon 數(shù)值模型，待研究區(qū)域圍巖體采用塊體邊長不超過0.2 m 的三角形塊體進(jìn)一步細(xì)化[19]，模型所采用的巖體微觀力學(xué)參數(shù)見表1。模型上部邊界應(yīng)力取8.75 MPa，模型接觸面和塊體分別采用Mohr-Coulomb 和彈性模型。

3 登茂通礦煤柱下巷道圍巖變形破壞特征

3.1 掘進(jìn)期間煤柱下巷道圍巖變形破壞特征

3103 工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間，3103 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間圍巖破壞特征如圖2，3103 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間圍巖變形量如圖3。由圖可知，巷道掘進(jìn)期間，距煤柱中心不同位置處，巷道圍巖變形和破壞特征差別較大，距煤柱中心0 m 處，巷道兩幫變形破壞嚴(yán)重，兩幫移近量達(dá)602 mm；距煤柱中心10 m 處，巷道出現(xiàn)不對稱變形，靠近遺留煤柱側(cè)幫部變形嚴(yán)重，變形量達(dá)273 mm；距煤柱中心20、30 m 處，巷道變形較小。

圖2 3103 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間圍巖破壞特征Fig.2 Failure characteristics of surrounding rocks of the inlet roadway in 3106 working face during excavation

圖3 3103 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間圍巖變形量Fig.3 Deformation of surrounding rock of the inlet roadway in 3106 working face during excavation

3.2 回采期間煤柱下巷道圍巖變形破壞特征

3103 工作面進(jìn)風(fēng)巷回采期間，3103 進(jìn)風(fēng)巷回采期間圍巖破壞特征如圖4，3103 進(jìn)風(fēng)巷回采期間圍巖變形量如圖5。由圖可知，回采期間，距煤柱中心不同位置處，巷道圍巖變形和破壞較嚴(yán)重，出現(xiàn)變形失穩(wěn)的位置差別較大，距煤柱中心0 m 處，巷道兩幫變形破壞嚴(yán)重，兩幫移近量為1 302 mm；距煤柱中心10 m 處，巷道出現(xiàn)不對稱變形，靠近遺留煤柱側(cè)幫部變形嚴(yán)重，變形量達(dá)274 mm，巷道頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)出現(xiàn)冒頂；距煤柱中心20 m 處，巷道頂?shù)装遄冃螄?yán)重，頂板下沉量達(dá)361 mm；距煤柱中心30 m處，巷道底板變形嚴(yán)重，底鼓達(dá)291 mm，遠(yuǎn)離遺留煤柱側(cè)幫部變形較大。

圖4 3103 進(jìn)風(fēng)巷回采期間圍巖破壞特征Fig.4 Failure characteristics of surrounding rocks of the inlet roadway in 3106 working face during mining

4 登茂通礦煤柱下巷道圍巖損傷裂隙演化特征

3103 進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形演化特征如圖6，3103 進(jìn)風(fēng)巷圍巖損傷裂隙演化特征如圖7。由圖可知，巷道圍巖變形與裂隙發(fā)育呈正相關(guān)，圍巖剪切裂隙數(shù)量遠(yuǎn)大于張拉裂隙數(shù)量。

由圖6 和圖7 可知，距煤柱中心0 m 處，巷道掘進(jìn)期間，煤柱下方巷道圍巖裂隙大量產(chǎn)生，剪切裂隙數(shù)量大于張拉裂隙數(shù)量，隨著時(shí)步增加，巷道變形繼續(xù)增加，圍巖裂隙數(shù)量變化不大；距煤柱中心10 m處，巷道掘進(jìn)期間，巷道圍巖裂隙大量產(chǎn)生，剪切裂隙數(shù)量遠(yuǎn)大于張拉裂隙數(shù)量，隨著時(shí)步增加，巷道頂板變形繼續(xù)增加，圍巖張拉裂隙數(shù)量持續(xù)增加，時(shí)步達(dá)60 000 時(shí)，巷道頂板失穩(wěn)破壞；距煤柱中心20 m處，巷道掘進(jìn)期間，頂板圍巖剪切裂隙大量產(chǎn)生，頂板變形較小，不同時(shí)期，巷道頂板變形階段性增加，頂板圍巖張拉裂隙數(shù)量也呈現(xiàn)階段性增加，時(shí)步達(dá)50 000 時(shí)，巷道頂板失穩(wěn)破壞；距煤柱中心30 m處，不同時(shí)期，巷道圍巖變形和剪切裂隙發(fā)育存在明顯的階段性，圍巖變形量較小，整個周期內(nèi)張拉裂隙數(shù)量基本保持不變。

5 結(jié) 論

1）掘進(jìn)期間，煤柱正下方巷道（距煤柱中心0 m），兩幫變形破壞嚴(yán)重，呈對稱分布，煤柱邊緣處巷道（距煤柱中心10 m），變形呈不對稱分布。

2）回采期間，不同位置處圍巖變形破壞整體較為嚴(yán)重，煤柱邊緣處巷道，靠近遺留煤柱側(cè)巷道幫變形嚴(yán)重，頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，變形具有不對稱性，距煤柱中心20 m 處，巷道頂?shù)装遄冃螄?yán)重。

3）圍巖剪切裂隙數(shù)量遠(yuǎn)大于張拉裂隙數(shù)量，圍巖變形與裂隙發(fā)育呈正相關(guān)，圍巖小變形時(shí)以剪切裂隙發(fā)育為主，圍巖的失穩(wěn)破壞往往伴隨著張拉裂隙的快速增加。