牛宏偉，黎科龍，劉大亮，劉 旺

(1.潞安化工集團(tuán)有限公司，山西 長治 046031；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；3.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046031)

王莊煤礦新井進(jìn)入91采區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道圍巖裂隙發(fā)育，裂隙圍巖的穩(wěn)定性影響全礦安全高效生產(chǎn)。91采區(qū)尾部排水巷為整個(gè)91采區(qū)服務(wù)，對91采區(qū)所有工作面的安裝、排水起到重要的作用[1-2]。當(dāng)91采區(qū)工作面向前推進(jìn)時(shí)，尾部排水巷到受工作面采動的影響。因此，合理的保護(hù)煤柱寬度對于91采區(qū)尾部排水巷穩(wěn)定性具有重要的影響[3-8]。本文針對不同保護(hù)煤柱寬度條件下，工作面向前推進(jìn)時(shí)對排水巷圍巖應(yīng)力、位移情況進(jìn)行研究。

1 工程概況

91采區(qū)煤層厚度穩(wěn)定，總厚度為6.4 m，直接頂為4.6 m厚的泥巖，老頂為4.2 m厚的細(xì)粒砂巖；直接底為4.6 m厚的泥巖，節(jié)理較發(fā)育。其尾部排水巷共分為多段，巷道均沿煤層底部掘進(jìn)，采用全錨網(wǎng)支護(hù)，巷道斷面均為5.0 m×3.2 m的矩形斷面。91采區(qū)工作面與排水巷的位置關(guān)系如圖1所示，91-105工作面與排水巷間護(hù)巷煤柱的寬度最窄，為80 m。當(dāng)91采區(qū)工作面回采時(shí)，排水巷的穩(wěn)定性受護(hù)巷煤柱寬度的影響。因此，研究工作面回采時(shí)排水巷的變形及煤柱的穩(wěn)定對于91采區(qū)安全高效回采具有重要的意義。

圖1 91采區(qū)排水巷平面布置圖Fig.1 Layout plan of drainage lanes in 91 mining area

2 工作面回采時(shí)覆巖垮落特征

采用相似模擬試驗(yàn)方法，研究工作面回采時(shí)上覆巖層垮落特征，揭示采動影響下覆巖破裂演化特征。 結(jié)合91采區(qū)排水巷斷面尺寸寬×高=5.0 m×3.2 m(矩形斷面)，以及試驗(yàn)裝置尺寸，同時(shí)又能模擬全部的關(guān)鍵巖層，選取幾何比，則模型巷道尺寸寬×高=50.0 mm×32.0 mm。模擬巖層原巖密度為2 500 kg/m3，實(shí)驗(yàn)室最后配得的相似材料密度是1 500 kg/m3，故容重比為0.6。具體相似模型參數(shù)見表1。

表1 相似模型參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Parameters design of similar model

2.1 采動影響下覆巖垮落特征及規(guī)律

保護(hù)巷道所需煤柱寬度分別50 m、40 m、30 m、20 m時(shí)覆巖垮落特征如圖2所示。由圖2可知，在煤層開采過后，上方的巖層的狀態(tài)開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，由最開始的彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)。隨著煤層向前開采，上方的巖層開始發(fā)生下沉變形，根據(jù)變形程度的不同，分為三部分，分別為冒落區(qū)、裂隙區(qū)和彎曲下沉區(qū)。冒落區(qū)的巖層，其斷裂形態(tài)多為塊狀；裂隙區(qū)的巖層則發(fā)生變形、斷裂，形成裂隙；彎曲下沉區(qū)的巖層相對穩(wěn)定，整體結(jié)構(gòu)基本上沒有受到破壞。

對于預(yù)留不同寬度的護(hù)巷煤柱，工作面推進(jìn)時(shí)煤層上方巖層垮落特征基本一致。上方巖體垮落排列形態(tài)比較規(guī)則，垮落巖塊的長度分布在3～7 m之間，并且?guī)r塊內(nèi)部裂隙發(fā)育?？迓鋮^(qū)以上的巖層，具有微弱彎曲下沉的趨勢，并且在巖層內(nèi)部伴隨有少量縱向裂隙產(chǎn)生。

基本頂?shù)谝淮慰迓浜螅S采煤作業(yè)面向前推進(jìn)，頂板巖層開始顯現(xiàn)出周期性來壓，頂板周期性來壓步距在7～13 m之間，其平均步距為9 m。在工作面開采的影響下，冒落區(qū)高度為25.6 m，相當(dāng)于采高的4倍，巖層垮落角為56°。裂隙區(qū)發(fā)育高度達(dá)64 m，約為煤層采高的10倍。彎曲下沉區(qū)位于裂隙區(qū)上方，彎曲下沉區(qū)的巖層移動具有連續(xù)性和整體性的特點(diǎn)，即裂隙區(qū)頂部以上巖層移動變現(xiàn)為成層地、整體地；在豎直方向上，其上下部分的下沉量非常小。

離層裂隙、破斷裂隙的發(fā)展及巖層移動不是同步發(fā)生的，自下而上發(fā)展的速度也是不勻速的。通常來說，由于破斷產(chǎn)生裂隙的發(fā)展速度比離層產(chǎn)生裂隙的發(fā)展速度更慢一些。在實(shí)驗(yàn)室模擬采煤作業(yè)面推進(jìn)的過程中，隨著作業(yè)面向前推進(jìn)，頂板上方覆蓋巖裂隙區(qū)經(jīng)過了卸壓、失穩(wěn)、起裂、張裂、裂隙萎縮、變小、吻合、封閉的演化過程。

圖2 不同煤柱寬度工作面回采時(shí)上覆巖層結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Structural characteristics of the overlying strata during stoping at different coal pillar widths

圖3 不同煤柱寬度工作面回采時(shí)上覆巖層位移場Fig.3 Displacement field of the overlying strata during stoping at different coal pillar widths

2.2 不同護(hù)巷煤柱寬度采動影響巖層運(yùn)移規(guī)律

不同預(yù)留寬度的護(hù)巷煤柱，上覆巖層位移如圖3所示。由圖3可知，對于不同預(yù)留寬度的護(hù)巷煤柱，隨著工作面的開采，頂板發(fā)生變形的區(qū)域越來越大，下沉量逐漸增加。冒落帶以上的巖層，在工作面回采過程中都經(jīng)歷一個(gè)連續(xù)的、動態(tài)的下沉移動過程，并且距離地面越近的巖層，移動過程越連續(xù)，其移動曲線的形態(tài)特征與地面點(diǎn)的移動過程相似。巖層移動過程分為三個(gè)階段：初始階段、活躍階段和衰減階段。初始階段巖層裂隙和離層發(fā)育不顯著；活躍階段，巖層變形劇烈，尤其是水平向變形和下沉量最為突出，裂隙和離層發(fā)育較為良好；衰減階段巖層水平變形和下沉移動緩慢，衰減周期長。

3 數(shù)值模型的建立

根據(jù)工程地質(zhì)條件，采用UDEC數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模型，研究護(hù)巷煤柱寬度為20～90 m時(shí)，工作面回采對排水巷的影響。數(shù)值模擬過程如下：①建模、施加邊界條件，三面固支、頂部加載應(yīng)力，賦值運(yùn)算至初始平衡；②開掘排水巷，支護(hù)，計(jì)算至應(yīng)力平衡；③回采工作面，計(jì)算循環(huán)20 000時(shí)步，模擬工作面回采對排水巷的影響，揭示工作面回采過程中排水巷圍巖塑性區(qū)發(fā)育情況。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 不同煤柱寬度巷道圍巖位移變化規(guī)律

不同寬度護(hù)巷煤柱條件下，工作面開采時(shí)排水巷垂直方向位移變化情況如圖4所示。 由圖4可知，0～1 980時(shí)步為91采區(qū)排水巷掘進(jìn)階段，1 980～10 000時(shí)步為91采區(qū)工作面回采階段，在91采區(qū)工作面回采階段，排水巷變形趨勢相同。隨著預(yù)留護(hù)巷煤柱寬度的減小，巷道變形量逐漸增加。護(hù)巷煤柱寬度為90～20 m時(shí)，頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為117 mm、117 mm、117 mm、119 mm、124 mm、142 mm、194 mm、316 mm；兩幫最大移近量分別為44 mm、45 mm、49 mm、56 mm、57 mm、104 mm、189 mm、318 mm。護(hù)巷煤柱寬度為90～50 m，頂?shù)装濉蓭妥畲笪灰屏坎蛔兓?1采區(qū)排水巷不受工作面回采的影響。護(hù)巷煤柱寬度為40～20 m，頂?shù)装?、兩幫最大位移量增加?1采區(qū)排水巷受到工作面回采的影響較大，護(hù)巷煤柱裂隙發(fā)育。

圖4 不同煤柱寬度回采階段時(shí)程-位移曲線Fig.4 Time history-displacement curve of different coal pillar widths

4.2 煤柱中心垂直應(yīng)力分布特征

采煤作業(yè)面推進(jìn)過程中，不同預(yù)留寬度煤柱的中心應(yīng)力分布特征如圖5所示。由圖5可知，在91采區(qū)回采階段，由于受到回采過程的影響，煤柱上方垂直應(yīng)力增大。護(hù)巷煤柱寬度為90～50 m時(shí)，煤柱上垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)為單峰狀態(tài)，垂直應(yīng)力最大值為24 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.15，煤柱有一定的承載核區(qū)。護(hù)巷煤柱寬度為40 m時(shí)，受工作面采動影響劇烈。

圖5 不同煤柱寬度垂直應(yīng)力曲線Fig.5 Vertical stress curves of different coal pillar widths

圖6 91采區(qū)工作面回采階段排水巷塑性區(qū)分布特征圖Fig.6 Distribution characteristics of the plastic zone of the drainage tunnel in the working face of 91 mining area

4.3 排水巷塑性區(qū)分布特征

不同寬度護(hù)巷煤柱條件下，91采區(qū)回采階段排水巷塑性區(qū)變化情況如圖6所示。由圖6可知，護(hù)巷煤柱寬度為90～50 m時(shí)，91采區(qū)工作面回采階段排水巷塑性區(qū)大小沒有明顯變化。由圖5和圖6可知，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為40 m時(shí)，頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平吭? 800步位置，變形量突然增加后最終趨于穩(wěn)定，是由于靠近采空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)向采空區(qū)擴(kuò)展所致；當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為40～20 m時(shí)，排水巷塑性區(qū)的大小隨煤柱寬度的減小而增大；當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為20 m時(shí)，塑性區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)煤柱，護(hù)巷煤柱裂隙發(fā)育，難以滿足生產(chǎn)要求。

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，91采區(qū)工作面開切眼距排水巷的最短距離為80 m，排水巷不受工作面回采的影響。

5 巷道現(xiàn)場觀測

對91排水巷頂?shù)装寮皟蓭妥冃芜M(jìn)行觀測分析，得到巷道兩幫及頂?shù)装逡平侩S工作面推進(jìn)距離變化的關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖7可知，巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?8 mm，兩幫移近量最大值為50.8 mm，在開采作業(yè)面推進(jìn)到70 m處達(dá)到最大值70 m后，頂?shù)装迮c兩幫的移近量不再隨開采作業(yè)面推進(jìn)發(fā)生變化，巷道整體變形量較小，圍巖控制效果好。

圖7 工作面推進(jìn)期間巷道圍巖位移變化圖Fig.7 The displacement of the surrounding rock ofthe roadway during the advancement ofthe working face

6 結(jié) 語

由數(shù)值模擬可知，護(hù)巷煤柱寬度為50～90 m，開采作業(yè)面推進(jìn)對91采區(qū)排水巷沒有影響，排水巷頂?shù)装遄畲笪灰屏?、兩幫最大位移量、塑性區(qū)大小不發(fā)生變化，煤柱上方垂直應(yīng)力分布為單峰狀態(tài)，煤柱有一定的承載核區(qū)。護(hù)巷煤柱寬度為20～40 m，工作面采動對排水巷影響強(qiáng)烈，頂?shù)装?、兩幫最大位移量增加，排水巷塑性區(qū)大小隨預(yù)留煤柱寬度的減小而增大，護(hù)巷煤柱裂隙發(fā)育，難以滿足生產(chǎn)要求。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件，91采區(qū)工作面開切眼距排水巷的最短距離為80 m，工作面回采時(shí)排水巷不受采動的影響。由相似模擬可知，不同護(hù)巷煤柱寬度，工作回采時(shí)覆巖垮落特征和巖層運(yùn)移規(guī)律基本相同。由現(xiàn)場觀測結(jié)果可知，排水巷在開采作業(yè)面推進(jìn)期間，變形量小，兩幫移近量為50.8 mm，頂?shù)装逡平繛?8 mm，圍巖控制效果好。