傾斜煤層沿空留巷圍巖變形破壞演化規(guī)律

顧國民

(四川廣旺能源發(fā)展(集團)有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000)

0 引言

我國西南部煤炭資源大多以傾斜煤層為主，傾斜煤層礦井占比高達80%[1-2]。由于傾斜煤層成煤條件特殊，大多為優(yōu)質(zhì)的焦煤、無煙煤等，屬于我國賦存較少的稀缺煤種。同時由于其煤層資源賦存不均，大部分礦井在開采傾斜煤層時都存在采掘關(guān)系緊張的問題。因此采用沿空留巷技術(shù)提高煤炭采出率、緩解工作面接替緊張。實踐表明，傾斜煤層由于賦存條件復(fù)雜，采掘過程中往往出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道維護困難等問題[3-4]。傾斜煤層沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不同于普通沿空留巷，巷道穩(wěn)定性受采動影響程度更大，煤層傾角、綜放開采覆巖活動共同對沿空留巷穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，巷道圍巖變形破壞問題日益突出。

國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量研究。例如，劉湖亭[5]利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了沿空留巷圍巖塑性變形特征，結(jié)果表明，超前工作面30 m及滯后工作面150 m內(nèi)巷道受力集中，變形較大；錢志良[6]利用理論分析和數(shù)值模擬分析了變厚煤層沿空留巷的圍巖變形情況和應(yīng)力分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)煤層厚度增大，頂板下沉量增大，充填體所需支護阻力、充填寬度和回轉(zhuǎn)角度增加；武精科等[7]通過現(xiàn)場調(diào)研與理論分析相結(jié)合的方法得出頂板支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性弱、跨度大、傾斜角度大和頂幫協(xié)同承載能力低是造成其變形破壞的主因；丁偉偉[8]通過數(shù)值模擬研究了緩傾斜煤層沿空留巷礦壓規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著工作面推進，沿空留巷圍巖變形會逐漸趨于穩(wěn)定；苗旺[9]采用數(shù)值模擬研究了煤層傾角對深部綜放工作面沿空留巷圍巖的影響，認為頂板下沉量隨著煤層傾角的增大而減小，底板底鼓量隨著煤層傾角的增大而增加；王浩等[10]運用數(shù)值模擬的方法研究了煤層傾角對圍巖塑性破壞的影響，發(fā)現(xiàn)隨煤層傾角的增大，留巷圍巖的塑性破壞程度加劇，巷道兩幫及底板塑性區(qū)范圍明顯增大；李鑫等[11]采用數(shù)值模擬研究沿空留巷塑性區(qū)分布，認為頂?shù)姿苄詤^(qū)增大的特點是沿著垂直于巖層的方向增大，兩幫塑性區(qū)增大的特點是沿煤層分布方向增大；李季等[12]采用理論分析和數(shù)值模擬等綜合研究方法得出采空區(qū)側(cè)向圍巖應(yīng)力場的主應(yīng)力方向會發(fā)生顯著變化，從而導(dǎo)致深部沿空巷道圍巖形成非均勻塑性區(qū)。

以上研究從各方面研究了傾斜煤層沿空留巷煤層傾角和工作面推進距離等因素對圍巖塑性破壞都具有顯著影響，同時也對塑性區(qū)的分布特點進行了研究，但卻并未得到沿空留巷整個服務(wù)周期內(nèi)的塑性區(qū)演化規(guī)律。因此，以龍門峽南礦3131機巷沿空留巷為工程背景，采用數(shù)值模擬方法，揭示傾斜煤層沿空留巷塑性區(qū)演化規(guī)律，以期為沿空留巷圍巖控制提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

龍門峽南礦3131工作面地面標高+845～+930 m，位于龍王洞背斜西翼313采區(qū)。工作面煤層厚度0.8～2.0 m，平均煤厚1.6 m，煤層傾角28°～32°，平均傾角30°，煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 龍門峽南礦地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Geological histogram of Longmenxia South Mine

3131機巷沿煤層頂板掘進，所在煤巖層傾角較大，斷面呈梯形狀，受多次采動作用，圍巖應(yīng)力場復(fù)雜，變形破壞較為嚴重。矮幫側(cè)頂板下沉量大于高幫側(cè)頂板下沉量，高幫變形量明顯大于矮幫變形量，底板兩側(cè)發(fā)生不同程度底鼓，巷道圍巖表現(xiàn)出明顯的非均勻變形破壞特征，變形破壞素描如圖2所示。

圖2 3131機巷變形素描Fig.2 Deformation sketch of 3131 mechanical roadway

對于3131機巷作為沿空留巷使用來說，其服務(wù)周期包括掘進階段、一次采動影響階段、留巷階段和二次采動影響階段。在掘巷階段之后，3131機巷沿空留巷還會受2次采動影響，其具體變形破壞特征與演化規(guī)律還需進一步詳細研究。

2 變形破壞數(shù)值模擬

2.1 模型建立

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立如圖3所示計算模型。模型尺寸為350 m×100 m×236 m(長×寬×高)，模型上表面施加10 MPa等效載荷。數(shù)值模型采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準則采用Mohr-Coulomb準則，模型模擬沿空留巷全服務(wù)周期內(nèi)塑性區(qū)分布特征。模型中的巖層物理力學(xué)參數(shù)參見表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock strata

圖3 數(shù)值模擬計算模型Fig.3 Numerical simulation calculation model

2.2 圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)

數(shù)值模擬首先模擬傾斜煤層沿空留巷掘進階段圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)，如圖4所示。由圖可知，掘巷階段巷道圍巖塑性區(qū)呈現(xiàn)非均勻破壞特征。巷道高幫頂角周圍和矮幫底角周圍塑性區(qū)范圍較大，巷道頂板塑性區(qū)最大破壞深度靠近矮幫一側(cè)，其最大破壞深度為2.5 m。巷道矮幫塑性區(qū)最大破壞深度為1 m，巷道高幫塑性區(qū)最大破壞深度為2 m，巷道底板塑性區(qū)最大破壞深度為2.5 m。

圖4 掘巷階段塑性區(qū)分布形態(tài)Fig.4 Distribution pattern of plastic zone in tunneling stage

傾斜煤層沿空留巷受一次采動影響圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)如圖5所示。由圖可知，受一次采動影響，巷道圍巖塑性區(qū)非均勻破壞程度明顯增加，并且沿煤層方向擴展，巷道頂板塑性區(qū)最大破壞深度靠近矮幫一側(cè)，其最大破壞深度仍為2.5 m，但其范圍增大；巷道矮幫和底板塑性區(qū)最大破壞深度均無明顯變化，巷道矮幫塑性區(qū)最大破壞深度為1 m，巷道底板塑性區(qū)最大破壞深度為2.5 m，巷道高幫塑性區(qū)最大破壞程度沿煤層方向擴展。

圖5 一次采動影響階段塑性區(qū)分布形態(tài)Fig.5 Distribution pattern of plastic zone in primary mining influence stage

圖6為一次回采結(jié)束后留巷階段巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)。由圖可知，巷道圍巖塑性區(qū)非均勻破壞程度繼續(xù)增加，巷道高幫側(cè)塑性區(qū)急劇擴展并與第1個工作面采空區(qū)貫通，巷道頂板塑性區(qū)最大破壞深度范圍增加，并且沿煤層方向擴展范圍較大，巷道矮幫塑性區(qū)最大破壞深度增大為1.5 m，巷道底板塑性區(qū)最大破壞深度范圍增加，巷道矮幫底角周圍塑性區(qū)繼續(xù)向深部擴展。

圖6 留巷階段塑性區(qū)分布形態(tài)Fig.6 Distribution pattern of plastic zone in roadway retained stage

傾斜煤層沿空留巷受二次采動影響圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)如圖7所示。由圖可知，巷道圍巖塑性區(qū)依然呈非均勻破壞特征，相較于上一階段，巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)破壞深度和破壞范圍變化不明顯，巷道高幫塑性區(qū)由于發(fā)生貫通也無顯著變化，但巷道矮幫周圍塑性區(qū)則沿煤層方向逐漸向第2個工作面?zhèn)劝l(fā)生嚴重擴展。

圖7 二次采動影響階段塑性區(qū)分布形態(tài)Fig.7 Distribution pattern of plastic zone in secondary mining influence stage

3 圍巖變形破壞演化規(guī)律

結(jié)合不同階段塑性區(qū)分布形態(tài)進行分析可知，傾斜煤層沿空留巷在掘進階段，由于只受掘進影響未受采動影響，塑性區(qū)破壞不明顯，巷道圍巖較為穩(wěn)定。在受一次采動影響時，塑性區(qū)破壞范圍向矮幫側(cè)發(fā)生一定程度的擴展。留巷階段，采空區(qū)上覆直接頂垮落，老頂斷裂，致使巷道圍巖塑性區(qū)破壞深度增大且塑性區(qū)破壞和采空區(qū)貫通。二次影響階段，巷道圍巖塑性區(qū)破壞和采空區(qū)貫通，同時沿著下一個工作面方向大幅延伸。巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)在受重復(fù)采動影響下呈現(xiàn)非均勻擴展特征。巷道在掘進—一次采動—留巷—二次采動全過程，圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律如圖8所示。

圖8 沿空留巷服務(wù)周期內(nèi)塑性區(qū)演化規(guī)律Fig.8 Evolution law of plastic zone in gob-side retaining roadway service cycle

4 結(jié)論

(1)傾斜煤層沿空留巷服務(wù)周期內(nèi)圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)呈現(xiàn)非均勻特征，不同位置塑性區(qū)擴展呈現(xiàn)差異化特征。

(2)掘進階段和一次采動階段，塑性區(qū)破壞范圍向矮幫側(cè)擴展；留巷階段和二次采動階段，巷道圍巖塑性區(qū)破壞深度增大且塑性區(qū)破壞和采空區(qū)貫通，同時沿著下一個工作面方向大幅擴展。