周 帥

(冀中能源峰峰集團(tuán)辛安礦,河北 邯鄲 056200)

為滿足綠色開采和高效利用煤炭資源的要求,提高煤炭采出率,降低煤炭損失,無煤柱沿空筑墻留巷開采工藝逐漸發(fā)展為許多礦井安全高效生產(chǎn)的主流[1]。無煤柱開采是通過合理布置巷道和采掘順序,進(jìn)而取消區(qū)段煤柱的采煤方法。此工藝的主要特點(diǎn)為消除因留設(shè)煤柱導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象,將巷道留設(shè)于低應(yīng)力區(qū);有效降低礦井掘進(jìn)率,緩解采掘交替緊張的局面;提高回采率,降低煤炭損失,降低采空區(qū)瓦斯涌出等問題[2-3]。沿空巷道不僅受到上區(qū)段采空區(qū)頂板側(cè)向壓力的擾動(dòng),還受到下區(qū)段工作面回采的強(qiáng)烈擾動(dòng),嚴(yán)重影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。因此,研究沿空巷道圍巖的變形規(guī)律是解決支護(hù)困難的關(guān)鍵。

眾多研究學(xué)者針對(duì)沿空巷道圍巖形變規(guī)律做了大量的研究。孫秋榮[4]通過FLAC3D模擬軟件,對(duì)構(gòu)筑不同寬度巷旁墻體時(shí)的圍巖應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行探討,確立了合理的圍巖控制方案。韓明亮[5]通過3DEC模擬軟件模擬回采不同階段時(shí),沿空巷道圍巖的應(yīng)力和位移演變趨勢(shì),總結(jié)出應(yīng)力和位移會(huì)隨著回采的進(jìn)行持續(xù)增大。呂維赟[6]以具體工作面為分析對(duì)象,采用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的研究方法,分析了切頂卸壓沿空留巷的圍巖應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律,研究表明新型切頂技術(shù)能夠有效抑制沿空巷道圍巖變形。為探究辛安煤礦沿空留巷圍巖變形規(guī)律,有針對(duì)性地進(jìn)行沿空巷道圍巖控制措施,保障辛安煤礦安全生產(chǎn),本文基于多種地質(zhì)影響因素情況下,通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究辛安煤礦沿空留巷圍巖變形規(guī)律。

1 沿空留巷工作面概況及結(jié)構(gòu)特征

1.1 工程地質(zhì)概況

冀中能源辛安煤礦11212-2工作面煤層均厚4.2 m,平均傾角19°,局部含有1～2層矸石。地面標(biāo)高+177.9～+215.6 m,工作面標(biāo)高-466.2～-583.9 m,走向長(zhǎng)度853.7～876.7 m,傾向長(zhǎng)度83.2～196.3 m。11212-2工作面北部為11212-2煤柱運(yùn)料巷采空區(qū),西部緊鄰設(shè)計(jì)11210-1煤柱工作面,南部為11212-2煤柱運(yùn)料通路,東部為11212-2煤柱工作面。煤層老頂為5 m厚的細(xì)砂巖,直接頂為3 m厚的粉砂巖,底板為4.9 m厚的粉砂巖,周邊地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單,裂隙不發(fā)育。采用堆噴混凝土工藝方法構(gòu)筑巷旁墻體[7],墻體為上窄下寬的梯行體。留巷工作面位于上區(qū)段工作面回風(fēng)巷處,保留回風(fēng)巷供下區(qū)段工作面運(yùn)煤巷使用。留巷位置如圖1所示。

圖1 留巷示意圖Fig.1 Gob-side entry retaining diagram

1.2 巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征及變形機(jī)理

煤層開采過后,采空區(qū)老頂巖層會(huì)在礦山壓力作用下發(fā)生破斷失穩(wěn),隨著回采的持續(xù)進(jìn)行,這種破斷呈現(xiàn)周期性的變化,最終形成弧形三角塊結(jié)構(gòu)[8],沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征與空間結(jié)構(gòu)和覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀況密切關(guān)聯(lián)。留巷覆巖運(yùn)移機(jī)制為直接頂隨著工作面回采直接垮落,基本頂由于其自身較堅(jiān)硬不垮落僅下沉,采空區(qū)側(cè)基本頂與采空區(qū)矸石接觸后停止下沉[9]。隨著周期性的斷裂下沉,直接頂充分垮落后逐漸被壓實(shí),對(duì)上覆老頂巖層的下沉起到支撐作用,從而達(dá)到平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)時(shí)基本頂活動(dòng)停止,留巷圍巖結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 留巷結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Gob-side entry retaining structure

堆噴筑墻沿空留巷期間,工作面回采不久,采空區(qū)覆巖活動(dòng)較劇烈。經(jīng)受采空區(qū)滯后動(dòng)壓影響巷道圍巖出現(xiàn)劇烈變形破壞,堆噴后的墻體可以起到主動(dòng)支護(hù)的效果,待采空區(qū)活動(dòng)平穩(wěn)之后沿空巷道圍巖經(jīng)受動(dòng)壓擾動(dòng)逐漸減弱,巷旁墻體的支撐力與承載力達(dá)到平衡狀態(tài),圍巖變形破壞逐漸趨于穩(wěn)定。巷道圍巖環(huán)境逐漸趨于平衡之后,因前期承受回采擾動(dòng),使得圍巖物理力學(xué)性質(zhì)減弱,但仍存在頂板壓力對(duì)其的擾動(dòng)。在受到頂板持續(xù)作用后圍巖出現(xiàn)不同程度的收縮變形,巖層間也出現(xiàn)相對(duì)離層錯(cuò)動(dòng)。

1.3 FLAC3D數(shù)值模型建立

煤層賦存地質(zhì)條件不同,采場(chǎng)礦壓規(guī)律及巷道圍巖的變形破壞特征也不同。綜采工藝開采條件下,煤層厚度、煤層傾角、埋藏深度等地質(zhì)賦存條件對(duì)沿空留巷圍巖的變形規(guī)律有重要影響。針對(duì)煤層厚度、煤層傾角、埋藏深度等因素,分別建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型。巖層采用庫(kù)倫摩爾模型,巷旁支護(hù)體采用雙屈服模型,并按照堆噴沿空留巷方法分步開挖巷道、采空區(qū)并構(gòu)筑巷旁支護(hù)體實(shí)現(xiàn)沿空留巷。

分析與研究煤層厚度、煤層傾角、埋藏深度對(duì)沿空留巷圍巖變形特征的影響規(guī)律。結(jié)合辛安礦11212-2工作面的工程背景,設(shè)計(jì)的數(shù)值模型方案見表1,單一因素設(shè)置6個(gè)水平,共建立18種數(shù)值模型。

表1 數(shù)值模型設(shè)置方案

按照實(shí)際頂板巖層柱狀圖建立的數(shù)值模型如圖3所示,未考慮的頂板巖層通過在模型頂部施加等效垂直載荷,其中模型的長(zhǎng)(X軸)×寬(Y軸)=245 m×120 m,模型高度(Z軸)為56.9～59.4 m。模型中的回采巷道沿煤層頂板布置,回采巷道的長(zhǎng)×寬×高=120 m×5 m×3.5 m,沿Y軸模型兩側(cè)分別留設(shè)了20 m的邊界未開挖采空區(qū),沿空留巷的長(zhǎng)×寬×高=80 m×4.0 m×3.5 m,沿空留巷巷旁支護(hù)體的長(zhǎng)×寬×高=80 m×1.0 m×4.0 m(支護(hù)體嵌入巷道底板0.5 m)。數(shù)值模型中各巖層的物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置見表2,不同層位但巖性相同的巖層設(shè)置的物理力學(xué)參數(shù)一致。

圖3 數(shù)值模型Fig.3 Numerical model

表2 數(shù)值模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型中工作面開挖以及沿空留巷的過程為:①建立模型,初始應(yīng)力平衡;②回采巷道開挖,初始應(yīng)力平衡;③沿Y軸在模型邊界留設(shè)20 m邊界煤柱,然后第一個(gè)工作面開挖5 m,同時(shí)在采空區(qū)邊緣設(shè)置寬度為1.0 m、高度為4.0 m、長(zhǎng)度為5 m的巷旁支護(hù)體,應(yīng)力平衡計(jì)算,完成一個(gè)循環(huán);④繼續(xù)開挖第一個(gè)工作面5 m,并在已開挖采空區(qū)的邊緣設(shè)置巷旁支護(hù)體,應(yīng)力平衡計(jì)算,完成第二個(gè)循環(huán);⑤以此類推,共完成16個(gè)循環(huán),沿空留巷80 m,沿X軸、Y軸在模型邊界各留設(shè)20 m的邊界煤柱。

計(jì)算平衡后沿巷道走向方向,在巷道頂板中線、底板中線及支護(hù)體中線位置布置位移測(cè)線。

2 不同影響因素下留巷圍巖變形分析

2.1 煤層厚度對(duì)留巷圍巖變形的影響

煤層開采厚度越大,上覆巖層垮落的幅度隨之增大,進(jìn)而導(dǎo)致沿空留巷圍巖的變形特征不同。按照?qǐng)D3所示的建模方法分別建立煤層厚度為3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m和6.0 m對(duì)應(yīng)的數(shù)值模型,分別進(jìn)行第一個(gè)工作面開挖、構(gòu)筑巷旁墻體沿空留巷等計(jì)算,并監(jiān)測(cè)沿巷道走向的頂板中線垂直位移、底板中線垂直位移、煤幫垂直應(yīng)力和巷旁支護(hù)體垂直位移等礦壓數(shù)據(jù),作為分析沿空留巷礦壓特征的指標(biāo)。不同煤層厚度對(duì)應(yīng)的沿空留巷礦壓特征如圖4所示。

圖4 煤層厚度對(duì)留巷圍巖變形的影響Fig.4 Influence of coal seam thickness on the surrounding rock deformation of gob-side entry retaining

根據(jù)煤層厚度變化對(duì)留巷圍巖形變量影響的模擬結(jié)果可知,巷道圍巖變形規(guī)律基本一致,但造成的圍巖變形量不一致。沿著巷道走向方向長(zhǎng)度為120 m,頂板的位移量呈對(duì)稱分布,模型兩側(cè)的位移量較小,中部位移量最大。煤層厚度為3.5m時(shí),頂板位移量峰值為9.3 mm;煤層厚度為6 m時(shí),頂板位移量峰值為10.7 mm。由于模型中的邊界效應(yīng),導(dǎo)致沿走向方向前后兩端的位移量為負(fù)值,表現(xiàn)為底板的壓縮下沉。中部位移量為正值,表現(xiàn)為底板鼓起。煤層厚度為3.5 m時(shí),模型中部底板的垂直位移量約為0 mm,巷旁支護(hù)體的最大垂直位移量為9 mm;當(dāng)煤層厚度為6 m時(shí),底板的垂直位移量為1 mm,巷旁支護(hù)體的最大垂直位移量為11 mm。隨著煤層厚度的增加,留巷圍巖形變量均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。造成此種現(xiàn)象的原因是,煤層厚度增加,采空空間加大,上覆頂板垮落幅度加大造成了較劇烈的礦山壓力,對(duì)圍巖造成了強(qiáng)烈的擾動(dòng)。

2.2 埋深對(duì)留巷圍巖變形的影響

煤層埋藏深度越大,圍巖的地應(yīng)力水平越高,煤層賦存條件更加復(fù)雜多變,造成沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與淺埋深煤層不盡相同。按照?qǐng)D3所示的建模方法分別建立埋藏深度為300 m、400 m、500 m、600 m、700 m和800 m對(duì)應(yīng)的數(shù)值模型,分別進(jìn)行第一個(gè)工作面開挖、構(gòu)筑巷旁墻體沿空留巷等計(jì)算,并監(jiān)測(cè)沿巷道走向的頂板中線垂直應(yīng)力、頂板中線垂直位移、底板中線垂直位移、煤幫垂直應(yīng)力、巷旁支護(hù)體的垂直應(yīng)力和垂直位移等礦壓數(shù)據(jù),作為分析沿空留巷礦壓特征的指標(biāo)。不同埋藏深度對(duì)應(yīng)的沿空留巷礦壓特征如圖5所示。

圖5 埋藏深度對(duì)留巷圍巖變形的影響Fig.5 Influence of burial depth on surrounding rock deformation of gob-side entry retaining

根據(jù)埋深對(duì)留巷圍巖變形量影響的模擬結(jié)果可知,圍巖變形規(guī)律仍保持一致。沿巷道走向方向頂板位移形成位移盆地,且呈現(xiàn)對(duì)稱分布趨勢(shì),模型中部位移量最大,兩側(cè)位移量最小。埋深為300 m時(shí),巷道頂板的最大垂直位移量為33 mm,巷道底板的最大垂直位移量為1 mm,巷旁支護(hù)體的最大垂直位移量為40 mm;當(dāng)埋深為800 m時(shí),巷道頂板的最大垂直位移量為313 mm,巷道底板的最大垂直位移量為5.2 mm,支護(hù)體的最大垂直位移量為40 mm。隨著埋深的增大,留巷圍巖形變量均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。造成此種現(xiàn)象的原因是,埋深越大,巷道圍巖所承受地應(yīng)力越大,使得巷道圍巖屈服性增加,導(dǎo)致圍巖形變量增大。

2.3 煤層傾角對(duì)留巷圍巖變形的影響

傾斜長(zhǎng)壁工作面開采以后,由于采空區(qū)頂板冒落矸石在巖層傾角和自身重力作用下的垮落運(yùn)動(dòng)過程具有一定的方向性,造成傾斜煤層沿空巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境、礦山壓力規(guī)律與水平煤層具有不同的分布特點(diǎn)。按照?qǐng)D3所示的建模方法分別建立煤層傾角為0°、5°、10°、15°、20°和25°對(duì)應(yīng)的數(shù)值模型,分別進(jìn)行第一個(gè)工作面開挖、構(gòu)筑巷旁墻體沿空留巷等計(jì)算,并監(jiān)測(cè)沿巷道走向的頂板中線垂直應(yīng)力、頂板中線垂直位移、底板中線垂直位移、煤幫垂直應(yīng)力、巷旁支護(hù)體的垂直應(yīng)力和垂直位移等礦壓數(shù)據(jù),作為分析沿空留巷礦壓特征的指標(biāo)。不同煤層傾角對(duì)應(yīng)的沿空留巷礦壓特征如圖6所示。

圖6 煤層傾角對(duì)留巷圍巖變形的影響Fig.6 Influence of inclination on surrounding rock deformation of gob-side entry retaining

根據(jù)煤層傾角變化對(duì)留巷圍巖位移量的模擬結(jié)果可知,不同傾角對(duì)留巷圍巖變形影響規(guī)律基本一致。針對(duì)頂板的位移量變化而言,模型中部位移量最大,兩側(cè)最小。煤層傾角為0°時(shí),沿空留巷頂板的最大垂直位移量為16 mm,巷道底板垂直位移量為4.3 mm,支護(hù)體位移量為226 mm;煤層傾角為25°時(shí),沿空留巷頂板的最大垂直位移量為7 mm,巷道底板垂直位移量2.6 mm,支護(hù)體位移量為62 mm。隨著煤層傾角增大,留巷圍巖位移量逐漸減小。造成這種現(xiàn)象原因是,煤層傾角越大,采空區(qū)上部垮落矸石向下部堆積程度越劇烈,進(jìn)而對(duì)上覆老頂巖層垮落起到支撐作用,從而抑制了老頂?shù)目迓?形成了較小的礦山壓力,對(duì)留巷圍巖影響較小。

3 結(jié)論

1)沿空留巷圍巖變形較大會(huì)嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)以及制約其技術(shù)的發(fā)展,圍巖變形的主要原因是受上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支撐壓力影響、圍巖控制方案的不合理及頂?shù)装鍘r性。

2)針對(duì)辛安煤礦11212工作面沿空留巷工作面具體地質(zhì)條件,通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件,結(jié)合多種不同影響因素,對(duì)留巷圍巖變形量進(jìn)行探討得出:隨著埋深和煤層開采厚度的增加,留巷圍巖變形量逐漸增大,隨著煤層傾角增大,留巷圍巖變形量逐漸減小。