快速支護(hù)工藝下煤柱與圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

劉 斌

（潞安礦業(yè)集團(tuán) 余吾煤業(yè)，山西 長治 046100）

快速支護(hù)工藝下煤柱與圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

劉 斌

（潞安礦業(yè)集團(tuán) 余吾煤業(yè)，山西 長治 046100）

以二次動(dòng)壓影響條件下巷道快速掘進(jìn)為背景，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件，分析了各時(shí)期不同寬度煤柱條件下巷道圍巖應(yīng)力分布與變形規(guī)律，確定了合理的煤柱留設(shè)尺寸。現(xiàn)場試驗(yàn)證明應(yīng)用效果良好，研究結(jié)果可為類似巷道掘進(jìn)設(shè)計(jì)及施工提供參考。

煤柱寬度；圍巖穩(wěn)定性；數(shù)值分析

余吾煤業(yè)為高瓦斯礦井，巷道埋深大，應(yīng)力高，傳統(tǒng)支護(hù)方式下進(jìn)行過不同尺寸區(qū)段煤柱留設(shè)研究，取得了一些研究成果，能夠適用于特定的圍巖工程環(huán)境[1-2]。近些年隨著掘錨一體機(jī)的引進(jìn)[3-4]，使得快速支護(hù)工藝下煤柱的留設(shè)成為新的問題，該條件下煤柱的尺寸與地質(zhì)條件、動(dòng)壓影響、快速支護(hù)工藝與支護(hù)方式、錨桿支護(hù)-巖體承載結(jié)構(gòu)都密切相關(guān)[5-6]。文章以余吾煤業(yè)公司S1205運(yùn)輸巷的掘進(jìn)為背景，采用數(shù)值模擬方法，分析研究不同時(shí)段不同寬度煤柱條件下巷道的應(yīng)力變化與變形規(guī)律，最終確定合理的護(hù)巷煤柱寬度，使之既能滿足巷道變形要求，又能最大化回收煤炭資源。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 工程概況

余吾煤業(yè)公司通過引進(jìn)久益公司錨一體化機(jī)組12CM30，應(yīng)用快速支護(hù)工藝首次在S1203運(yùn)輸巷取得良好效果，為了擴(kuò)大掘錨機(jī)組的應(yīng)用效益，在S1203運(yùn)輸巷掘進(jìn)完畢后，掘錨機(jī)組將用于相鄰S1205運(yùn)輸巷的掘進(jìn)。S1205運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間，將受到相鄰S1203工作面回采強(qiáng)烈動(dòng)壓影響，另外，在服務(wù)年限中還將受本工作面回采動(dòng)壓影響，可見，S1205回風(fēng)巷屬于困難條件下巷道維護(hù)。

1.2 計(jì)算模型

采用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行模擬。建模嚴(yán)格依據(jù)余吾礦現(xiàn)場實(shí)際工程地質(zhì)狀況，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，XOY平面取為水平面，Z軸取鉛直方向，并且規(guī)定向上為正。取S1205工作面運(yùn)輸巷斷面左下腳點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為X軸正方向，沿巷道方向垂直向內(nèi)為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向，重力方向沿Z軸負(fù)方向。三維模型的邊界條件取為：四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。初始應(yīng)力按照地質(zhì)力學(xué)測試實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行施加：最大垂直應(yīng)力為11.22 MPa，最大水平應(yīng)力為5.16 MPa。數(shù)值模擬留設(shè)煤柱尺寸為15 m、20 m、25 m、30 m和35 m時(shí)圍巖應(yīng)力分布和變形情況。

2 數(shù)值模擬分析

分別模擬巷道掘進(jìn)、S1203工作面回采、S1205工作面回采期間不同尺寸煤柱的應(yīng)力分布及變形情況，確定合理的護(hù)巷煤柱寬度。

2.1 巷道掘進(jìn)階段

1）應(yīng)力分析。通過分析應(yīng)力分布情況，S1203工作面運(yùn)輸巷與S1205工作面運(yùn)輸巷并行掘進(jìn)后，兩條巷道圍巖的最大垂直應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于巷道的兩幫，最大水平應(yīng)力主要分布于巷道的頂煤和底板位置處。留設(shè)不同尺寸煤柱時(shí)的最大垂直主應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力總體相當(dāng)，但同時(shí)存在少量差別。從數(shù)據(jù)上來看，最大垂直應(yīng)力值隨著煤柱尺寸的增加有少量減少，而最大水平應(yīng)力值隨著煤柱尺寸的增加有少量增大。從巷道掘進(jìn)后圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布場來看，預(yù)留15 m和20 m煤柱時(shí)兩條巷道的應(yīng)力場存在相互疊加現(xiàn)象，當(dāng)煤柱尺寸大于25 m時(shí)，巷道圍巖的應(yīng)力分布基本處于相互獨(dú)立的狀態(tài)。

2）位移分析。圖1是不同寬度煤柱條件下位移分布情況。從圖1可以看出，S1203工作面回風(fēng)順槽與S1205工作面運(yùn)輸巷并行掘進(jìn)階段巷道圍巖及煤柱的變形量不大。從巷道掘進(jìn)后巷道周圍煤巖體位移分布場來看，當(dāng)留設(shè)15 m、20 m及25 m時(shí)，煤柱存在不同程度的位移疊加現(xiàn)象，當(dāng)煤柱尺寸達(dá)到30 m或以上時(shí)，兩條巷道掘進(jìn)引起的位移場相互獨(dú)立，互不影響。

圖1 不同寬度煤柱條件下位移分布（巷道掘進(jìn)階段）

2.2 相鄰工作面回采階段

1）應(yīng)力分析。圖2顯示了S1203工作面回采后煤柱最大主應(yīng)力的分布情況。從圖中可以看出，當(dāng)S1203工作面回采之后，留設(shè)15 m煤柱時(shí)煤柱內(nèi)部最大主應(yīng)力為55 MPa；留設(shè)20 m煤柱時(shí)煤柱內(nèi)部最大主應(yīng)力為51.5 MPa；留設(shè)25 m煤柱時(shí)煤柱內(nèi)部最大主應(yīng)力為49.6 MPa；留設(shè)30 m煤柱時(shí)煤柱內(nèi)部最大主應(yīng)力為50.7 MPa，留設(shè)35 m煤柱時(shí)煤柱內(nèi)部最大主應(yīng)力為51.4 MPa。從不同尺寸煤柱最大主應(yīng)力分布范圍來看，當(dāng)留設(shè)15 m煤柱時(shí)，煤層回采及放頂煤之后煤柱所形成的應(yīng)力集中區(qū)與S1205運(yùn)輸巷掘進(jìn)所形成的應(yīng)力集中區(qū)相互重疊，幾乎整個(gè)S1205運(yùn)輸巷圍巖都在回采影響范圍之內(nèi)。當(dāng)留設(shè)20 m煤柱時(shí)，S1205運(yùn)輸巷在靠近煤柱一側(cè)幫部在煤層回采影響范圍之內(nèi)，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力疊加現(xiàn)象。當(dāng)留設(shè)25 m煤柱時(shí)，巷道周圍煤巖體在靠近煤柱一側(cè)幫部受煤層回采存在一定影響，但影響范圍明顯縮小。當(dāng)留設(shè)30 m煤柱和35 m煤柱時(shí)，巷道圍巖的最大主應(yīng)力分布受S1203工作面回采影響很小。

圖2 不同寬度煤柱條件下應(yīng)力分布（相鄰工作面回采階段）

2）位移分析。圖3是不同寬度煤柱條件下巷道垂直位移分布圖。從圖3中可以看出，當(dāng)S1203工作面回采后，由于煤柱受煤層采動(dòng)和放頂煤的影響，其應(yīng)力狀況發(fā)生了改變，從而引起S1205運(yùn)輸巷發(fā)生了不同程度的變形。當(dāng)留設(shè)15 m煤柱時(shí)，S1205運(yùn)輸巷頂板最大下沉位移為108.7 mm，最大底鼓量為558 mm，靠近S1203回采工作面一側(cè)煤幫最大水平位移為408 mm，遠(yuǎn)離S1203回采工作面一側(cè)煤幫最大水平位移為356 mm。當(dāng)留設(shè)20 m煤柱時(shí)，S1205運(yùn)輸巷頂板最大下沉位移為96.2 mm，最大底鼓量為477 mm，靠近S1203回采工作面一側(cè)煤幫最大水平位移為371 mm，遠(yuǎn)離S1203回采工作面一側(cè)煤幫最大水平位移為352 mm。當(dāng)留設(shè)25 m煤柱時(shí)，S1205運(yùn)輸巷頂板最大下沉位移為89.3 mm，最大底鼓量為328 mm，靠近S1203回采工作面一側(cè)煤幫最大水平位移為346 mm，遠(yuǎn)離S1203回采工作面一側(cè)煤幫最大水平位移為225 mm。當(dāng)留設(shè)30 m煤柱時(shí)，S1205運(yùn)輸巷頂板最大下沉位移為50.6 mm，最大底鼓量為279 mm，靠近S1203回采工作面一側(cè)煤幫最大水平位移為266 mm，遠(yuǎn)離S1203回采工作面一側(cè)煤幫最大水平位移為138 mm。當(dāng)留設(shè)35 m煤柱時(shí)，S1205運(yùn)輸巷頂板最大下沉位移為49.9 mm，最大底鼓量為276 mm，靠近S1203回采工作面一側(cè)煤幫最大水平位移為312 mm，遠(yuǎn)離S1203回采工作面一側(cè)煤幫最大水平位移為132 mm。從以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)留設(shè)不同煤柱尺寸時(shí)，S1203工作面的回采對巷道頂板和靠近煤柱一側(cè)的煤幫變形影響較大，且變形量隨著煤柱寬度的增加而遞減。

圖3 不同寬度煤柱條件下巷道垂直位移分布（相鄰工作面回采階段）

2.3 本工作面回采階段

1）應(yīng)力分析。圖4是不同寬度煤柱條件下應(yīng)力分布圖。由圖4可以看出：當(dāng)S1205工作面回采后，煤柱受兩個(gè)工作面回采的影響而不同程度的產(chǎn)生了應(yīng)力疊加現(xiàn)象。當(dāng)留設(shè)15 m煤柱和20 m煤柱時(shí)，煤柱中間部分為應(yīng)力最大集中區(qū)；當(dāng)留設(shè)25 m煤柱時(shí)，兩個(gè)工作面回采所引起的最大應(yīng)力集中區(qū)開始分離，出現(xiàn)了兩個(gè)最大應(yīng)力集中區(qū)域，最大主應(yīng)力區(qū)域之間距離約為5 m。當(dāng)留設(shè)30 m煤柱和35 m煤柱時(shí)，兩個(gè)工作面的回采所引起的最大主應(yīng)力集中區(qū)域已明顯分離，留設(shè)30 m煤柱時(shí)兩個(gè)最大應(yīng)力集中區(qū)距離約為20 m，留設(shè)35 m煤柱時(shí)兩個(gè)最大應(yīng)力集中區(qū)距離約為25 m。

圖4 不同寬度煤柱條件下應(yīng)力分布（本工作面回采階段）

2）塑性破壞區(qū)分析。圖5不同寬度煤柱條件下塑性破壞區(qū)。由圖5中可以看出：S1203工作面和S1205工作面回采后，頂板煤體已全部破壞，能順利放頂煤。當(dāng)留設(shè)15 m和20 m煤柱時(shí)，煤柱已完全破壞；預(yù)留25 m和30 m煤柱時(shí)，煤柱中間部分有少量彈性核區(qū)；預(yù)留35 m煤柱時(shí)，煤柱受采動(dòng)影響所形成的塑性破壞區(qū)未相互貫通，中間約有3 m范圍的彈性核區(qū)。

3 礦壓監(jiān)測

巷道掘進(jìn)期間，總計(jì)設(shè)置10組表面位移測站。通過現(xiàn)場實(shí)測，在初始掘進(jìn)時(shí)期、相鄰工作面回采及本工作面回采時(shí)期，巷道變形均在可控范圍之內(nèi)，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 不同寬度煤柱條件下塑性破壞區(qū)

表1 S1205運(yùn)輸巷表面位移情況統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語

在快速支護(hù)工藝條件下，通過數(shù)值模擬分析了巷道掘進(jìn)和兩次回采動(dòng)壓影響期間巷道圍巖應(yīng)力分布及其變形規(guī)律，最終確定合理的護(hù)巷煤柱寬度為30 m，并在實(shí)際應(yīng)用中獲得了驗(yàn)證。

[1] 屠世浩,白慶升.淺埋煤層綜采面護(hù)巷煤柱尺寸和布置方案優(yōu)化[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011(4)：26-28.

[2]王金亮,趙建光.區(qū)段煤柱的載荷與變形時(shí)間相關(guān)性及其規(guī)律[J].煤礦開采，2014(3)：18-20.

[3] 孫旭威.我國掘錨一體技術(shù)發(fā)展分析與研究[J].煤礦機(jī)械，2010，31（3）：4.

[4]宋作文，王志強(qiáng).EBZ-150掘錨一體機(jī)在煤巷掘進(jìn)中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（8）：41-45.

[5] 馬長樂,袁龍飛.大斷面煤巷快速掘進(jìn)施工工藝[J].煤礦安全，2013(5)：39-41.

[6]張占濤.大斷面煤層巷道圍巖變形特征與支護(hù)參數(shù)研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2009.

（編輯：武曉平）

Numerical Analysis on Stability of Coal Pillars and Surrounding Rocks with Fast Supporting Technology

LIU Bin
(Yuwu Coal Co.,Ltd.,Lu'an Mining Group,Changzhi 046100,China)

On the background of fast excavation under secondary dynamic pressure,numerical simulation software was used tostudythe stress distribution and deformation ofsurroundingrocks with coal pillars of different widths at various stages so as to determine the reasonable size of the coal pillars.The field test verified the ideal application effects.The results could be reference for the excavation design and construction ofsimilar roadways.

pillar width;surroundingrock stability;numerical analysis

TD353

A

1672-5050（2016）04-027-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.008

2016-04-13

劉斌（1982-），男，河北邯鄲人，大學(xué)本科，工程師，從事礦井采掘技術(shù)管理工作。