孤島工作面長度對下伏大巷穩定性影響研究*

王志強，蘇　越，孫中文，任亞軍

(中國礦業大學(北京)，北京 100083)

0　引言

由于早期設計施工等原因，在我國東部礦井存在大量殘留孤島煤柱，孤島煤體的回采會影響到下伏大巷圍巖應力與穩定性，研究孤島工作面長度對下伏大巷穩定性的影響顯得尤為重要。在研究孤島煤體對下伏大巷的穩定性影響時，應先對孤島工作面底板應力分布規律進行研究，建立與實際相符合的孤島工作面底板力學模型[1-4]。

華心祝[5]等建立了孤島工作面基本頂力學模型，研究孤島工作面超前支承壓力分布規律；黃炳香[6]等通過數值模擬不同孤島工作面長度留設不同寬度的區段煤柱，確定孤島工作面區段煤柱的合理尺寸；馮宇[7]等通過建立孤島工作面頂板傳力機制，確立了一種孤島工作面圍巖失穩的判定依據；李振雷[9]等通過現場微震監測技術建立了孤島煤柱的沖擊評價機制；張華磊[10]采用附加應力計算方法建立了采場底板應力分布模型,得到了工作面回采時支承壓力影響下底板某一點處的應力變化規律。

綜合現有成果發現，針對孤島工作面長度對下伏大巷圍巖穩定性的影響的研究報道較少，本論文基于此，以開灤礦區某礦8#孤島工作面為工程背景，討論孤島工作面長度對下伏大巷圍巖破壞的影響。

1　工程背景

該礦8#孤島工作面位于-500 m水平中央采區，殘留煤柱標高-420～-452 m，地面標高16.9 m，走向長1 816.1 m，傾斜長75～105 m，可采儲量83.5 萬t，其位置關系情況見圖1所示，8#孤島煤柱工作面煤層厚度在2.2～4 m之間，平均煤層厚度為3.3 m，煤層傾角平均20°，可采指數1.0，為穩定煤層，結構簡單。

圖1　殘留孤島煤柱與下伏大巷的空間關系Fig.1　Spatial relationship between the remaining island pillars and the lower alley

現要開采8#煤層中孤島煤柱所形成的工作面，在其下方有-480 m水平南翼運輸大巷，運輸大巷與開采煤層距離較近，法向距離47 m，垂直距離50 m。目前大巷部分區段已發生嚴重變形，如圖2所示。

圖2　水平大巷變形情況Fig.2　Horizontal alley deformation

2　兩側采空孤島工作面底板垂直應力分布規律

2.1　底板力學模型

本文建立了工作面傾向方向上的采場底板垂直應力受力模型。把煤體看作連續介質體，為便于計算將物理模型做了相應的簡化，將支承壓力的變化曲線看作線性變化，采空區對底板產生的應力視為0。簡化后傾向方向上的底板垂直應力計算力學模型，如圖3所示。

圖3　煤層底板受力模型Fig.3　Stress model of coal floor

圖3中，a1，a5為孤島工作面內的應力升高區；a2,a4為孤島工作面內的應力降低區；a3為孤島工作面內的原巖應力區。θ1～θ5是底板處某一點與各個應力區域在底板的夾角。

2.2　底板應力計算公式推導

在底板中任意取一個位置采用半無限體空間理論進行分析，把煤層底板受力模型分成不同的區域進行分析，分別對每個區域的應力進行計算，最后將各區域對該點的應力進行疊加，即可求出底板處任意一點的垂直應力大小。當底板內任意一點受到的載荷為p時，產生的應力分量分別為：

(1)

式中：p為底板某一點處受到的載荷，MPa;θ為底板某一點與載荷之間的夾角，(°)；r為底板某一點處與所受載荷之間的距離，m。

而當分布力的集度有變化時有：

(2)

(3)

式中：q為任意微元體的載荷集度。

由圖4知：

dp1=q1dx

(4)

式中：P1為a1范圍內的應力；q1為a1范圍內的載荷集度。

圖4　載荷p1對底板內某一點p產生的應力Fig.4　Load p1 on the bottom of a point p generated by the stress

將q1代入式(3)中：

(5)

因為，a1=y(tanθ2-tanθ1)，故：

(6)

式中：y為底板某一點處的縱向坐標。

將式(6)代入式(5)得:

(7)

同理，可以推出其他幾個區域對該點產生的載荷為：

(8)

(9)

(10)

(11)

將式(7)～(11)的計算結果相加，即可求得σy：

(12)

再經過坐標轉換得：

(13)

由式(13)可知：孤島工作面開采時對下方底板處任意一點的應力大小，與該點距孤島工作面的距離，孤島工作面長度，應力集中系數有關。由于本文研究孤島工作面布置寬度對下伏大巷的影響，故應控制其他變量，考慮孤島工作面長度對-480 m水平大巷的影響。

將該礦地質條件下的實際數據q0=9 MPa,kq0=18 MPa,a1=a4=12 m,a2=a5=9 m，以及將-480 m水平大巷的坐標代入公式計算得到孤島工作面長度對下伏大巷壓應力的影響示意圖，如圖5所示。

圖5　工作面長度與垂直應力關系Fig.5　The relationship between the length of the face and the vertical stress

如圖5所示，下伏大巷壓垂直應力的變化曲線呈先減小后增大的趨勢。當孤島工作面面長<60 m時，下伏大巷所受到的壓應力逐漸減小；當孤島工作面面長>60～130 m時，下伏大巷所受到的壓應力逐漸增大；而當孤島工作面面長>130 m后，雖然應力仍然增大但是增長幅度緩慢。

該曲線反映了該地質條件下，-480 m水平大巷上覆孤島工作面面長對水平大巷的應力影響。對于實際生產中有相似地質條件的礦井布置孤島工作面長度有一定的指導意義。

3　數值模擬方案

3.1　計算模型的建立

由圖6曲線知在該礦地質條件下工作面布置長度在60 m時下伏大巷所受的應力最小，為了驗證孤島工作面長度對下伏大巷穩定性的影響，分別建立2個模型:①工作面長度100 m(8#孤島工作面實際長度);②工作面長度60 m。并用這2個模型進行對比分析。如2個模型根據相同的煤巖層地質條件建立，煤柱情況相同,孤島工作面與兩側采空區之間均留設7 m煤柱。為了控制變量，只研究孤島工作面長度對大巷穩定性的影響，根據該礦-480 m水平大巷實際支護方案進行模擬，模擬采用錨網噴的支護形式，頂板采用φ22 mm×2 500 mm左旋螺紋鋼高強錨桿7根，間排距850 mm×600 mm，錨索采用φ18.9 mm×6 300 mm左旋鋼絞線，間排距2 400 mm×800 mm；幫部安設錨桿4根，間排距750 mm×800 mm，底腳使用φ22 mm×2 500 mm左旋螺紋鋼高強錨桿。錨桿錨索采用FLAC 3D內置單元體錨桿錨索(cable)進行模擬，錨噴采用襯砌(linder)單元體進行模擬，支護體結構單元如圖6所示。

圖6　支護體結構單元模型Fig.6　Supporting body structure unit model

1)模型1：工作面長100 m的計算模型(該礦孤島煤體實際開采尺寸)

模型尺寸為x×y×z=240 m×150 m×195 m, 模型由36 204塊組成，包括40 912個格點。根據工程實踐，按照8#孤島工作面實際的地質情況，模型設置煤層厚度均為3.5 m，平均傾角為20°，巷道尺寸為3.2 m(巷高)× 4.8 m(巷寬)，模型埋深約為300 m，則模型頂部施加300 m×0.025 MN/m3=7.5 MPa的荷載以模擬上覆未建巖層的重量。模型底部邊界對節點水平和豎直方向的速度進行約束，同時模型兩側邊界對節點的水平向速度也進行約束。上邊界為自由邊界。

2) 模型2：工作面長60 m的計算模型(理論分析后對下伏大巷維護最有利的孤島工作面長度)

模型尺寸為200 m ×150 m ×195 m，模型由25 360塊組成，包括29 207個格點。其他情況與100 m工作面相同。 FLAC 3D5.0數值模擬網格圖如圖7所示。

3.2　計算模型各巖層物理力學參數

本數值模擬用到的相關巖層力學參數詳見表1。

3.3　計算模擬過程和變化條件

計算模型采用莫爾一庫侖強度準則進行，先開挖該礦-480 m水平大巷，再采2 087和2 089工作面，計算平衡后即形成8#孤島工作面，8#孤島工作面每次開挖推進長度10 m。

3.4　開采前下伏大巷穩定性分析

如圖8所示，在2個工作面回采結束后，會在采空區垂直方向上形成應力降低區，而在孤島工作面兩端會形成應力升高區。在模型1中大巷頂底板的應力很小，大巷頂板應力值為2.5 MPa，底板應力值為2.5 MPa，大巷兩幫應力達到17.5 MPa，兩幫應力集中系數較大，約為1.95。而在模型2中，由于大巷上方的孤島工作面長度較短，大巷頂板應力值為0.6 MPa，底板應力值為2.5 MPa，大巷兩幫的應力為12.5 MPa,應力集中系數約為1.38，小于模型1中的應力集中系數。對比發現，在該地質條件下大巷上方工作面長度為60 m時對于下伏大巷的維護有利。

表1　各巖層力學參數Table 1　Mechanics parameters of each rock formation

圖7　三維計算模型Fig.7　Three-dimensional calculation model

圖8　應力分布對比Fig.8　Comparison of stress distribution

3.5　回采后下伏大巷穩定性分析

如圖9所示，模型1中，大巷頂板應力值為2.9 MPa，底板應力值為3.5 MPa，左右幫應力較高，為7.5 MPa。模型2中，大巷整體處于8#孤島工作面完整的應力降低區中，整體應力值為1.97 MPa。由于模型1中孤島工作面較長，應力降低區向底板的傳遞不如模型2中充分，應力云圖形狀也不像模型2中向底板發育完全。故與模型2相比，模型1中-480 m水平大巷處于更高的應力區之中，為大巷的支護和維修帶來困難。

圖9　開采孤島工作面應力分布對比Fig.9　Comparison of stress distribution in isolated island face

如圖10所示，模型1中，在巷道頂板位置，左側破壞深度為4.5 m，右側破壞深度為2.3 m；大巷兩幫破壞深度約為1.5 m，底板破壞約為6.0 m。模型2中，在巷道頂板位置，左側破壞深度為1.2 m，右側破壞深度為3.4 m；大巷兩幫破壞深度約為1.5 m，大巷底板發生破壞深度約為2.0 m。

圖10　開采孤島工作面塑性區分布對比Fig.10　Comparison of distribution of plastic zone in isolated island face

從大巷穩定性上來看，大巷圍巖塑性區呈現出“X”型破壞。由于模型2中孤島工作面的開采范圍小，并且模型2中大巷所處的應力區應力較低，所以模型2中的大巷塑性區范圍小于模型1中的大巷塑性區的破壞范圍。

由此分析知，對于該地質條件下水平大巷上方的孤島工作面，相較于孤島工作面長度為100 m時，布置的孤島工作面長度為60 m時可以有效地控制下伏大巷的塑形破壞范圍，對下伏大巷維護有利。

4　結　論

1)對在該礦地質條件下孤島工作面長度對下伏水平大巷垂直應力影響的曲線圖分析知，在該地質條件下布置孤島工作面長度為60 m時，-480 m水平大巷受孤島工作面回采影響最小，對大巷的維護更為有利。

2)通過FLAC 3D數值模擬軟件對比分析了該地質條件下孤島工作面長度分別為60和100 m 2種情況：孤島工作面回采前和孤島工作面回采過程中-480 m水平大巷的垂直應力分布云圖和塑性區范圍。對比發現，當孤島工作面為60 m時，對下伏-480 m水平大巷的維護更為有利，驗證了公式推導得出的結論。

3)下伏水平大巷的穩定性與孤島工作面回采時的很多因素有關，如采高、巷道布置形式、工作面回采參數(尤其是推進速度)等因素，著重研究了孤島工作面長度的影響，而如何與上述其他主要因素結合研究孤島工作面和下伏水平大巷的關系，是下一步的主要研究內容。

[1]孟祥瑞，徐誠輝，高召寧，等.采場底板應力分布及破壞機理[J].煤炭學報，2010, 35(11): 1832-1836.

MENG Xiangrui, XU Chenghui, GAO Zhaoning,et al.Stress distribution and damage mechanism of mining floor[J].Journal of China Coal Society, 2010, 35(11):1832-1836.

[2]林峰.煤層底板應力分布的相似材料模擬分析[J].安徽理工大學學報,1990,10(3):19-28.

LIN Feng. Equivalent-material simulation and analysis of stress distribution over seam floors[J].Journal of Anhui University of Science and Technology, 1990, 10(3):19-28.

[3]華心祝, 劉淑, 劉增輝,等. 孤島工作面沿空掘巷礦壓特征研究及工程應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2011, 30(8):1646-1651.

HUA Xinzhu，LIU Shu, LIU Zenghui, et al. Research on strata pressure characteristic of gob-side entry driving in island mining face and its engineering application [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(8):1646-1651.

[4]宋艷芳, 唐治, 潘一山,等. 孤島工作面應力分布規律的數值分析[J]. 中國地質災害與防治學報, 2012(4):65-68.

SONG Yanfang, TANG Zhi,PAN Yishan,et al. Numerical analysis of stress distribution of isolated working face in undergrourd mining area[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2012,(4):65-68.

[5]王連國, 韓猛, 王占盛,等. 采場底板應力分布與破壞規律研究[J]. 采礦與安全工程學報, 2013, 30(3):317-322.

WANG Lianguo,HAN Meng,WANG Zhansheng,elt.Stress distribution and damage law of mining floor[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2013,30(3):317-322.

[6]黃炳香,劉長友，鄭百生，等.超長孤島綜放工作面煤柱支承壓力分布特征研究[J].巖土工程學報, 2007,29(6)：932-937.

HUANG Bingxiang,LIU Changyou,ZHENG Baisheng,et al.Distribution abutment pressures on laneway pillars for superwide isolated fully mechanized top coal caving face[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007,29(6)：932-937

[7]劉長友，劉奎，郭永峰，等.超長“孤島”綜放面大煤柱護巷的數值模擬[J].中國礦業大學學報,2006,35(4)：473-477.

LIU Changyou, LIU Kui,GUO Yongfeng,et al. Numerical simulation on roadway protected by wide coal pillar in super wide and isolated island fully mechanized toycoal caving face.[J].Journal of China University of Mining & Technology,2006,35(4)：473-477.

[8]李振雷，竇林名，王桂峰，等.堅硬頂板孤島煤柱工作面沖擊特征及機制分析[J].采礦與安全工程學報,2014,31(4)：519-524.

LI Zhenlei,DOU Linming,WANG Guifeng,et al.Rock burst characteristics and mechanism induced within an island pillar coalface with hard roof[J].Journal of Mining &Safety Engineering,2014,31(4)：519-524

[9]侯朝炯, 李學華. 綜放沿空掘巷圍巖大、小結構的穩定性原理[J]. 煤炭學報, 2001, 26(1):1-7.

HOU Chaojiong,LI Xuehua.The stability principle of large and small structures of surrounding rock of roadway driving along next goaf [J].Jounal of China Coal Society,2001,26(1):1-7.

[10]張恒. 孤島工作面覆巖運動破壞規律研究[D].青島：山東科技大學,2004.

[11]張華磊.采場底板應力傳播規律及其對底板巷道穩定性影響研究[D].徐州：中國礦業大學.2011.

[12]李佃平. 煤礦邊角孤島工作面誘沖機理及其控制研究[D].徐州：中國礦業大學,2012.

[13]姜福興, 成功, 馮宇,等. 兩側不規則采空區孤島工作面煤體整體沖擊失穩研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2015(S2):4164-4170.

JIANG Fuxing,CHENG Gong, FENG Yu,et al. Research on coal overall instability of isolated working face with irregular gobs on both sides[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineerihg,2015,34(S2):4164-4170

[14]李勝, 范超軍, 羅明坤,等. 二次采動下沿空留巷圍巖變形及其控制研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2015， 11(7):49-55.

LI Sheng,FAN Chaojun, LUO Mingkun,et al.Deformation of surrounding rock and its control of gob一side entry retaining during the second mining stage[J].Journal of Safety Science and Technology,2015,11(7):49-55.

[15]馬海峰, 程志恒, 劉偉. 近距離煤層群疊加開采采動應力與覆巖位移場演化特征[J]. 中國安全生產科學技術, 2017, 13(5):28-33.

MA Haifeng,CHENG Zhihen,LIU Wei.Evolution Field characteristics of mining stress and overlying strata displacement under superimposed mining in close distance coal seam group[J].Journal of Safety Science and Technology,2017,13(5):28-33.