顧國(guó)民

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

0 引言

我國(guó)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(dá)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(wú)煙煤等，屬于我國(guó)賦存較少的稀缺煤種。同時(shí)由于其煤層資源賦存不均，大部分礦井在開(kāi)采傾斜煤層時(shí)都存在采掘關(guān)系緊張的問(wèn)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(shí)踐表明，傾斜煤層由于賦存條件復(fù)雜，采掘過(guò)程中往往出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)劇烈、巷道維護(hù)困難等問(wèn)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(dòng)影響程度更大，煤層傾角、綜放開(kāi)采覆巖活動(dòng)共同對(duì)沿空留巷穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，巷道圍巖變形破壞問(wèn)題日益突出。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)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(qián)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(hù)阻力、充填寬度和回轉(zhuǎn)角度增加；武精科等[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與理論分析相結(jié)合的方法得出頂板支護(hù)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(guò)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(jìn)，沿空留巷圍巖變形會(huì)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(duì)深部綜放工作面沿空留巷圍巖的影響，認(rèn)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(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了煤層傾角對(duì)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(rèn)為頂?shù)姿苄詤^(qū)增大的特點(diǎn)是沿著垂直于巖層的方向增大，兩幫塑性區(qū)增大的特點(diǎn)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(chǎng)的主應(yīng)力方向會(huì)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(jìn)距離等因素對(duì)圍巖塑性破壞都具有顯著影響，同時(shí)也對(duì)塑性區(qū)的分布特點(diǎn)進(jìn)行了研究，但卻并未得到沿空留巷整個(gè)服務(wù)周期內(nèi)的塑性區(qū)演化規(guī)律。因此，以龍門(mén)峽南礦3131機(jī)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(mén)峽南礦3131工作面地面標(biāo)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(mén)峽南礦地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Geological histogram of Longmenxia South Mine

3131機(jī)巷沿煤層頂板掘進(jìn)，所在煤巖層傾角較大，斷面呈梯形狀，受多次采動(dòng)作用，圍巖應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，變形破壞較為嚴(yán)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(jī)巷變形素描Fig.2 Deformation sketch of 3131 mechanical roadway

對(duì)于3131機(jī)巷作為沿空留巷使用來(lái)說(shuō)，其服務(wù)周期包括掘進(jìn)階段、一次采動(dòng)影響階段、留巷階段和二次采動(dòng)影響階段。在掘巷階段之后，3131機(jī)巷沿空留巷還會(huì)受2次采動(dòng)影響，其具體變形破壞特征與演化規(guī)律還需進(jìn)一步詳細(xì)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(jì)算模型。模型尺寸為350 m×100 m×236 m(長(zhǎng)×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(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)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(jiàn)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(jì)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(jìn)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?chē)桶珟偷捉侵車(chē)苄詤^(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(dòng)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(dòng)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(kuò)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(wú)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(kuò)展。

圖5 一次采動(dòng)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(kuò)展并與第1個(gè)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(kuò)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?chē)苄詤^(qū)繼續(xù)向深部擴(kuò)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(dòng)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(wú)顯著變化，但巷道矮幫周?chē)苄詤^(qū)則沿煤層方向逐漸向第2個(gè)工作面?zhèn)劝l(fā)生嚴(yán)重?cái)U(kuò)展。

圖7 二次采動(dòng)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(jìn)行分析可知，傾斜煤層沿空留巷在掘進(jìn)階段，由于只受掘進(jìn)影響未受采動(dòng)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(dòng)影響時(shí)，塑性區(qū)破壞范圍向矮幫側(cè)發(fā)生一定程度的擴(kuò)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(shí)沿著下一個(gè)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(dòng)影響下呈現(xiàn)非均勻擴(kuò)展特征。巷道在掘進(jìn)—一次采動(dòng)—留巷—二次采動(dòng)全過(guò)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(kuò)展呈現(xiàn)差異化特征。

(2)掘進(jìn)階段和一次采動(dòng)階段，塑性區(qū)破壞范圍向矮幫側(cè)擴(kuò)展；留巷階段和二次采動(dòng)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(shí)沿著下一個(gè)工作面方向大幅擴(kuò)展。