地表超高渣堆對井下巷道穩(wěn)定性的影響研究*

劉春橋，沈榮喜，周 勇，陳海亮，王學(xué)兵

（1.國家能源集團烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000;2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;3.國能烏海能源五虎山礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016010）

1 引言

井下巷道是礦井安全生產(chǎn)的重要通道，巷道穩(wěn)定與否直接影響著礦井能否正常生產(chǎn)、作業(yè)人員安全通道是否暢通可靠。巷道圍巖應(yīng)力決定巷道變形量、頂板離層的大小，進而影響巷道的穩(wěn)定性。巷道圍巖應(yīng)力大小主要受埋深、地質(zhì)構(gòu)造、采掘活動等因素的影響［1-4］。崔道品等［5］在西南某礦山體賦存條件的基礎(chǔ)上，模擬地表起伏對垂直應(yīng)力集中程度的影響，指出水平應(yīng)力與其對應(yīng)地表的位置有密切關(guān)系。周濤［6］模擬了地表山體對下部煤巖層應(yīng)力狀態(tài)的影響，并按照應(yīng)力影響大小分為明顯影響區(qū)、影響減弱區(qū)及無影響區(qū)。孫玉亮等［7］研究了小發(fā)路煤礦山體對井下回采巷道的影響大小，并提出了山體下軟巖巷道圍巖控制技術(shù)。沈榮喜等［8］研制了適用于煤體的三維應(yīng)力測試方法與系統(tǒng)，并研究了三維地應(yīng)力的大小及方向?qū)ο锏绹鷰r的形變與穩(wěn)定性的影響。超高建（構(gòu)）筑物或山體的存在［9］，相當(dāng)于增加了煤層上覆巖層厚度，煤層的垂直應(yīng)力也相應(yīng)增大，因此在進行巷道支護設(shè)計及頂板管理時必須考慮地表建（構(gòu)）筑物或山體的附加應(yīng)力?，F(xiàn)有文獻對巷道圍巖穩(wěn)定影響因素及其控制技術(shù)已有較多研究［10-12］，但有關(guān)地表渣堆對井下巷道穩(wěn)定影響方面缺乏研究，必須指出的是，與地表建筑或山體不同，地表渣堆處于持續(xù)增長的動態(tài)變化過程，因此，其對井下巷道的影響需要進一步深入研究。

國能烏海能源五虎山煤礦自2018年開始在地表堆積礦渣，渣堆下方的010910、011006等工作面回采過程中受其影響出現(xiàn)回采巷道圍巖大變形、鋼棚嚴(yán)重變形等礦壓顯現(xiàn)增大的現(xiàn)象。因此，本文針對五虎山煤礦地表礦渣，采用FLAC3D數(shù)值分析軟件模擬不同渣堆高度下巷道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變，揭示渣堆高度變化對井下巷道穩(wěn)定性的影響規(guī)律及影響程度，從而確定渣堆的合理高度以便保障礦井安全生產(chǎn)，研究結(jié)果對類似煤礦的安全開采具有重要的參考價值。

2 礦山工程概況

五虎山煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)賀蘭山煤田北段烏達礦區(qū)的南部，礦區(qū)為低山丘陵高原地貌，地形起伏較大，小溝谷縱橫，最高點位于礦區(qū)西南部，海拔標(biāo)高1318m，最低點位于礦區(qū)東部2號拐點附近，海拔標(biāo)高1240m，海拔相對高差78m，礦區(qū)內(nèi)地形總體地勢西高東低，南高北低，地表基巖裸露，植被稀少，生態(tài)脆弱。井田內(nèi)煤層賦存呈單斜構(gòu)造，走向近似南北，傾向東，主采9、10及12號煤層，均為中厚煤層，煤層傾角為5°～15°，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，9煤平均埋深為200m。

2018年以來，五虎山井田南翼地表劃為排渣場地，堆放相鄰露天煤礦的剝離物，渣堆覆蓋了01采區(qū)的整個南翼區(qū)域及部分北翼區(qū)域，包括當(dāng)時正在生產(chǎn)的010910、011006等采掘工作面。截止2020年8月，渣堆覆蓋面積約為8.59km2，最大高度已達110m。如果渣堆影響與工作面回采影響疊加，則采動影響范圍內(nèi)的煤巖變形、破裂將更為劇烈，回采巷道將發(fā)生大變形甚至嚴(yán)重破壞。因此有必要研究五虎山地表渣堆對井下工作面的影響規(guī)律。限于篇幅，本文只研究渣堆堆積對9煤回采巷道的影響。

3 模型建立

由FLAC3D構(gòu)建的三維模型如圖1所示，長×寬×高(Y×X×Z)為1300m×800m×126m，模型中X方向為煤巖層傾向，Y方向為煤巖層走向，Z方向為豎直方向。模型四周邊界均固定水平位移，底端邊界固定垂直位移，頂端邊界施加均勻載荷。模型共包含3200121個節(jié)點，3120000個單元。模型本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。

圖1 五虎山煤礦三維數(shù)值仿真模型

在五虎山010910工作面采取9煤及其頂?shù)装鍘r樣進行巖石力學(xué)參數(shù)測試，并結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)資料，確定煤巖層參數(shù)如表1所示。

表1 模型各層煤巖物理力學(xué)參數(shù)

為對比研究地表不同高度渣堆對9煤工作面回采巷道的影響程度，設(shè)定三種模擬方案：①渣堆高度0m（相當(dāng)于地表無渣堆）；②渣堆高度50m；③渣堆高度100m。

4 模擬結(jié)果分析

以下通過對比巷道圍巖應(yīng)力峰值、采動影響范圍、塑性區(qū)分布等指標(biāo)研究不同高度渣堆對巷道穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

4.1 應(yīng)力峰值大小及位置對比

地表渣堆高度分別為0m、50m、100m時，隨工作面推進，回采巷道圍巖應(yīng)力峰值大小、位置及采動影響范圍變化對比如圖2～4所示。

圖2 峰值應(yīng)力變化對比

由圖2可知，隨工作面推進，不同渣堆高度應(yīng)力峰值變化趨勢基本相同：

（1）回采初期，峰值應(yīng)力不斷升高。

（2）工作面推進0～60m期間，峰值應(yīng)力增加速度較快。

（3）推進60～100m期間，峰值應(yīng)力增加幅度變小，應(yīng)力峰值逐漸趨于穩(wěn)定。

地表無渣堆時在16MPa上下波動，渣堆高度50m時在22MPa上下波動，渣堆高度100m時在27MPa上下波動。與地表無渣堆相比，渣堆高度50m時應(yīng)力峰值增長了37.5%，渣堆高度100m時應(yīng)力峰值增加了68.8%。

由圖3可知，應(yīng)力峰值位置先隨工作面推進距離的增加而逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定。地表堆積渣堆高度越高，峰值應(yīng)力位置就超前工作面煤壁越遠。工作面推進60m后，地表無渣堆時峰值應(yīng)力穩(wěn)定在距工作面約4m位置，渣堆高度50m時峰值應(yīng)力穩(wěn)定距工作面約6m位置，渣堆高度100m時峰值應(yīng)力穩(wěn)定在距工作面約7m位置。與地表無渣堆相比，渣堆高度50m時應(yīng)力峰值位置增長了50.0%，渣堆高度100m時應(yīng)力峰值位置增加了75.0%。

圖3 峰值應(yīng)力位置變化對比

由圖4可知，回采初期，采動影響范圍快速擴大，然后趨于穩(wěn)定，地表無渣堆時采動影響區(qū)范圍約為工作面超前40m，渣堆高度50m時采動影響區(qū)范圍約為工作面超前47m，渣堆高度100m時采動影響區(qū)范圍約為工作面超前53m。與地表無渣堆相比，渣堆高度50m時采動影響區(qū)范圍增加了17.5%，渣堆高度100m時采動影響區(qū)范圍增加了32.5%。

圖4 采動影響范圍變化對比

4.2 圍巖塑性區(qū)對比

圖5 為不同渣堆高度下回采巷道圍巖塑性區(qū)分布圖。

圖5 不同渣堆高度回采巷道塑性區(qū)對比

由圖5可知，地表無渣堆時，9煤回采巷道的塑性區(qū)范圍主要分布在巷道兩幫的小范圍內(nèi)，塑性區(qū)擴展深度為6m；渣堆高度增加到50m時，巷道兩幫的塑性區(qū)向圍巖深處非均勻快速擴展，兩幫塑性區(qū)擴展深度增至8m，與地表無渣堆相比增加了33.3%，同時，在巷道頂部及底部也出現(xiàn)塑性區(qū)，頂部塑性區(qū)擴展深度為4m，底板塑性區(qū)擴展深度為2m；渣堆高度增加到100m時，巷道破壞范圍與塑性區(qū)形態(tài)急劇變化，巷道的頂部、幫部及底部都出現(xiàn)大范圍的塑性區(qū)，兩幫塑性區(qū)向圍巖深部擴展速度加快，擴展深度增至10m，與地表無渣堆相比增加了66.6%，頂部塑性區(qū)擴展深度增至5m，底部塑性區(qū)擴展范圍保持穩(wěn)定。綜上可知，隨地表渣堆高度增大，9煤回采巷道圍巖的塑性區(qū)范圍顯著擴大，圍巖發(fā)生較大變形，必須對巷道進行及時維護，以保障后續(xù)生產(chǎn)的安全。

5 實測對比

五虎山煤礦自2018年8月開始在地表堆積渣堆，010908工作面回采時間為2016年4月-2017年8月，期間地表無渣堆；010910工作面回采時間為2019年7月-2020年7月，地面已存在渣堆。收集010908工作面回采巷道、實測010910工作面回采巷道的變形量，繪制巷道頂?shù)滓平?、兩幫移近量如圖6所示。

圖6 9煤工作面回采巷道移近量對比

由上圖可知，010908工作面頂?shù)缀蛢蓭鸵平糠謩e為0.27m、0.18m；010910工作面頂?shù)缀蛢蓭鸵平糠謩e為0.75m、0.40m，是010908工作面頂?shù)缀蛢蓭鸵平康?.78倍和2.22倍，即地表渣堆使9煤工作面頂?shù)滓平吭鲩L178%，兩幫移近量增長122%，實測與模擬分析的結(jié)果一致。

結(jié)合巷道現(xiàn)場監(jiān)測與模擬分析，從保障礦井安全生產(chǎn)的角度出發(fā)，應(yīng)將地表渣堆高度嚴(yán)格控制在100m以下。

6 結(jié)論

（1）地表無渣堆時，010910工作面回采巷道圍巖應(yīng)力峰值為16MPa，采動影響范圍為工作面超前40m區(qū)域。與地表無渣堆相比，地表渣堆高度50m時，工作面回采巷道圍巖應(yīng)力峰值增加了37.5%，采動影響范圍增加了17.5%；地表渣堆高度100m時，回采巷道圍巖應(yīng)力峰值增加了68.8%，采動影響范圍增加了32.5%。

（2）隨地表渣堆高度增大，010908工作面巷道塑性區(qū)從巷道兩幫擴大到巷道頂部和底部，并快速向圍巖深部擴展，尤其以兩幫塑性區(qū)向圍巖深處擴展最為明顯，與地表無渣堆相比，渣堆高度50m時擴展深度增加了33.3%，渣堆高度100m時擴展深度增加了66.6%。

（3）巷道變形實測對比表明，超高渣堆使010908工作面巷道頂?shù)缀蛢蓭鸵平糠謩e增長了178%和122%，回采巷道底鼓嚴(yán)重，兩幫變形較大。

（4）渣堆高度100m時，工作面巷道應(yīng)力峰值、巷道頂?shù)滓平亢蛢蓭鸵平窟h高于無渣堆情況，從保障礦井安全開采角度出發(fā)，應(yīng)將渣堆高度控制在100m以下。