宋海龍
(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)三元石窟煤業(yè)有限公司 山西長治047500)
沿空掘巷技術(shù)可以減少浪費(fèi),改善應(yīng)力條件并提高采出率,得到越來越多的應(yīng)用?,F(xiàn)有研究中,王衛(wèi)軍[3]以砌體梁理論為基礎(chǔ),建立力學(xué)模型,推到了頂板煤巖層變形為力的分量表達(dá)式。劉金海[4]等采用數(shù)值模擬和工程類比等方法,確定了沿空掘巷側(cè)向媒體破碎范圍。受地質(zhì)條件、地應(yīng)力、開采技術(shù)的影響,煤礦開采難度越來越大,出現(xiàn)了沿空掘巷圍巖礦壓顯現(xiàn)劇烈、破壞范圍大、井巷變形大等問題,本文以石窟煤礦為背景,對(duì)沿空掘巷的的煤柱優(yōu)化進(jìn)行深入研究,以期為類似條件的礦井圍巖控制提供一定的參考。
煤柱的主要作用是將沿空巷道和上工作面的采空區(qū)隔絕開來。上工作面回采工作結(jié)束后,形成采空區(qū),導(dǎo)致上覆巖層在重力的影響之下直接作用在采空區(qū)?;卷斣谘乜障锏啦删蛴绊懼掳l(fā)生斷裂,斷裂之后的巖石和實(shí)體煤形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)起到支承作用。上覆巖層的結(jié)構(gòu)和受力情況決定煤柱的狀態(tài),當(dāng)采掘工作結(jié)束后,上覆巖層應(yīng)力進(jìn)入到新的平衡當(dāng)中。在應(yīng)力不變的情況下,煤柱寬度將直接影響上覆巖層的應(yīng)力分布,在留設(shè)煤柱護(hù)巷的條件下,煤柱較寬情況下中間會(huì)形成一定支撐能力的彈性核區(qū),在兩邊由于關(guān)鍵塊垮落形成塑性區(qū),整體應(yīng)力體現(xiàn)為中間小兩邊大,呈現(xiàn)雙駝峰狀;較窄時(shí),應(yīng)力均勻分布,曲線呈現(xiàn)馬蹄狀。具體如圖1所示。
圖1 煤柱垂直應(yīng)力分布曲線圖
前一個(gè)工作面采過后,由于采掘擾動(dòng)使采場(chǎng)上部巖層出現(xiàn)應(yīng)力重新分布的情況,工作面前方的一定范圍內(nèi)煤巖體以及和采空區(qū)鄰近的煤巖體中出現(xiàn)應(yīng)力集中,臨采空區(qū)一側(cè)的煤柱在水平方向支承力的作用下,發(fā)生塑性變形及破壞,支承壓力對(duì)煤體深部產(chǎn)生作用,持續(xù)至支承壓力最大值和煤柱極限強(qiáng)度達(dá)到平衡,同時(shí),煤柱靠近下一工作面回采巷道一側(cè)由于巷道掘進(jìn)使煤柱邊緣發(fā)生塑性變形和破壞,在下工作面開采過程中,煤柱受到超前支承壓力的影響,所承載的載荷增大,煤柱被塑性區(qū)貫通穩(wěn)定性不斷下降。
如圖2所示,因煤層頂?shù)装鍘r層層理均勻,性狀穩(wěn)定煤柱與頂?shù)装褰佑|不受軟弱層影響,同時(shí)該礦巷道應(yīng)用錨桿錨索及金屬網(wǎng)支護(hù),煤柱兩邊皆受到側(cè)向力的約束,這樣符合理論中發(fā)生塑性流動(dòng)破壞的情況。
圖2 煤柱變形破壞示意圖
石窟煤礦開采煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)相對(duì)來說較為簡單。根據(jù)工作面前期勘察情況及順槽開挖反映情況,30106工作面平均埋深290 m,煤層厚度約為5.33 m~6.68 m,平均6.19 m。煤層傾角2°~6°,平均傾角為4°,屬較軟煤層,其普式系數(shù)為2,工作面煤層綜合柱狀圖見圖3。該工作面掘進(jìn)斷面凈寬4.0 m,凈高2.9 m。
圖3 工作面煤層綜合柱狀圖
利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D進(jìn)行分析,以山西石窟煤礦30106工作面為工程背景進(jìn)行建模。模型在上面施加均布荷載,地面固定其位移,其余邊界固定其側(cè)向位移。建立模型如圖4所示。
圖4 模型示意圖
由圖5采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律可以看出,隨著巷道掘進(jìn)的向前推進(jìn),采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力逐漸平緩,其變形也由于穩(wěn)定的殘余支承應(yīng)力的保護(hù)下二逐漸趨于穩(wěn)定。
圖5 采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律
(1)隨著30106工作面的向前推進(jìn),圍巖原有的穩(wěn)定平衡狀況被打破,應(yīng)力在新的環(huán)境中從新進(jìn)行分布,從而在頂?shù)装逄幮纬尚秹簠^(qū),在工作面?zhèn)认蛎后w深部形成了應(yīng)力集中區(qū)。
(2)在30106工作面回采結(jié)束后,0 m~4 m的范圍之內(nèi),支承應(yīng)力由12.5 MPa急速增加至支承應(yīng)力峰值46.9 MPa,增幅達(dá)到73.34%,應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到4.69左右;在4 m~10 m的范圍內(nèi),支承壓力由46.9 MPa快速降低到37.6 MPa,減幅達(dá)到了24.73%;之后支承應(yīng)力變化緩慢,曲線較為平緩。因此,上區(qū)段30106工作面采空區(qū)邊沿約60 m內(nèi)的距離的垂直應(yīng)力都比原巖應(yīng)力值要高,屬于應(yīng)力升高區(qū)。綜合以上分析可知,沿空井巷的布置不能完全規(guī)避高應(yīng)力區(qū),所以需要對(duì)煤柱的寬度進(jìn)行優(yōu)化,選出最合理的寬度,才能維持井巷的穩(wěn)定。
通過數(shù)值模擬計(jì)算可得30106工作面不同煤柱寬度下的垂直應(yīng)力分布圖,具體見圖6。在沿空井巷開挖結(jié)束后,圍巖應(yīng)力重新分布,并逐漸達(dá)到新狀態(tài)下的平衡。不同煤柱寬度條件下,由于沿空掘巷兩幫圍巖應(yīng)力開始向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移,從而導(dǎo)致井巷這兩個(gè)部位頂?shù)装鍛?yīng)力集中,同時(shí)隨著煤柱寬度的增大,煤柱垂直應(yīng)力逐漸由對(duì)稱型慢慢變?yōu)槠d型,也即垂直應(yīng)力向鄰近采空區(qū)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)移。煤柱寬度由6 m增大到10 m時(shí),垂直應(yīng)力峰值由28.4 MPa快速增大到56.1 MPa,之后煤柱應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定。在10 m左右時(shí),煤柱垂直應(yīng)力在煤柱中心,成對(duì)稱式分布,在14 m左右時(shí),煤柱垂直應(yīng)力在遠(yuǎn)離采空區(qū)側(cè)偏小,不對(duì)稱性逐漸增大。
圖6 不同煤柱寬度下的垂直應(yīng)力分布云圖
由以上分析可知,護(hù)巷煤柱寬度若過小,對(duì)整體圍巖的穩(wěn)定性不利,整體承載能力較小,隨著寬度的增加,圍巖變形量會(huì)減小。當(dāng)煤柱寬度為10 m時(shí),煤柱內(nèi)部出現(xiàn)彈性核區(qū),對(duì)煤柱上方的覆巖起到承載作用,具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。由此可知,護(hù)巷保護(hù)煤柱的合理寬度為10 m。
30106工作面沿空煤巷頂板、兩幫的支護(hù)參數(shù)如表1和表2所示,支護(hù)方案如圖7所示。
圖7 支護(hù)方案
表1 頂板支護(hù)參數(shù)
表2 巷道兩幫支護(hù)參數(shù)
將模擬方案用于現(xiàn)場(chǎng),所得監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示
圖8 井巷圍巖收斂情況
由圖8可知,井巷圍巖較為穩(wěn)定:在井巷開始掘進(jìn)之后,圍巖變形開始劇烈變化,在前10天變化速度最快,之后的40天內(nèi),變化速度逐漸放緩,但仍保持上升趨勢(shì)。在50天之后,圍巖位移開始不再變化,逐漸向穩(wěn)定狀態(tài)靠近。在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)期中,頂?shù)装宓奈灰谱兓家葍蓭偷奈灰谱兓。谟^測(cè)結(jié)束以后,兩幫的最終變形量為98 mm,頂?shù)装宓奈灰谱兓繛?5 mm。在前10天,井巷剛開始開挖,原巖應(yīng)力遭到破壞,井巷的頂?shù)装搴蛢蓭臀灰瓶焖僮兓?0天之后擾動(dòng)效應(yīng)變?nèi)?,原巖變化的速率放緩但仍然有向內(nèi)變化的趨勢(shì)。開挖50天以后,井巷逐漸成型,支護(hù)措施完善,井巷處于一個(gè)較為穩(wěn)定的狀況,此時(shí)井巷圍巖幾乎無變化。變形控制較好,在合理范圍之內(nèi)。相較于模擬來說,變形較大一些,究其原因是由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況較為復(fù)雜導(dǎo)致變形也會(huì)大一些。
本文以山西三元石窟煤礦30106工作面為研究對(duì)象,對(duì)沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性分析與控制進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬研究和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),主要結(jié)論為:
(1)煤柱較寬情況下中間會(huì)形成一定支撐能力的彈性核區(qū),在兩邊由于關(guān)鍵塊垮落形成塑性區(qū),整體應(yīng)力體現(xiàn)為中間小兩邊大,呈現(xiàn)雙駝峰狀;較窄時(shí),應(yīng)力均勻分布,曲線呈現(xiàn)馬蹄狀
(2)護(hù)巷煤柱寬度若過小,對(duì)整體圍巖的穩(wěn)定性不利,整體承載能力較小,隨著寬度的增加,圍巖變形量會(huì)減小。當(dāng)煤柱寬度為10 m時(shí),煤柱內(nèi)部出現(xiàn)彈性核區(qū),對(duì)煤柱上方的覆巖起到承載作用,具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。護(hù)巷保護(hù)煤柱的合理寬度為10 m。