黃陵二號(hào)煤礦北二大巷群雙翼采動(dòng)圍巖變形破壞及煤柱留設(shè)

郭超奇

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

黃陵二號(hào)煤礦北二四條大巷，自建井以來(lái)，一直采用建井時(shí)的支護(hù)方式。2013年6月份以后，由于受雙翼采動(dòng)影響，圍巖受到了不同程度的破壞，已無(wú)法有效控制圍巖變形。為實(shí)現(xiàn)安全高效開采，必須研究北二大巷群雙翼采動(dòng)圍巖變形情況，重新進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，為類似巷道支護(hù)提供一定的理論參考和技術(shù)支撐。

1 北二大巷群圍巖破壞機(jī)理分析

1.1 北二大巷群圍巖變形破壞情況

北二2號(hào)輔運(yùn)大巷未受采動(dòng)影響處頂板基本完整，局部區(qū)域出現(xiàn)網(wǎng)兜，隨工作面回采，出現(xiàn)剪切變形甚至臺(tái)階破壞。

北二2號(hào)輔運(yùn)大巷受采動(dòng)影響處底鼓明顯，底鼓后混凝土路面沿巷道中線裂開，已經(jīng)影響巷道車輛通行。

北二膠帶大巷頂板下沉，兩幫內(nèi)移，底鼓嚴(yán)重，在4條大巷中兩幫內(nèi)移最大。

預(yù)留頂煤掘進(jìn)巷道圍巖裂隙發(fā)育明顯增大，經(jīng)松動(dòng)圈測(cè)試，頂板留頂煤掘進(jìn)時(shí)頂板松動(dòng)圈范圍3.5 m，未留頂煤掘進(jìn)時(shí)頂板松動(dòng)圈范圍3 m。

1.2 北二大巷群圍巖變形破壞原因

巖性：巷道圍巖是由不同巖性的頂、底板和兩幫組成的一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)。巷道圍巖復(fù)合結(jié)構(gòu)中各部分的強(qiáng)度、受力特征等力學(xué)特性是各有差異的，其中軟弱巖層或煤巖柱稱為軟弱結(jié)構(gòu)體。軟弱結(jié)構(gòu)體巷道圍巖強(qiáng)度較低，易于破壞。軟弱結(jié)構(gòu)體與圍巖的強(qiáng)度差異越大，巷道圍巖越容易發(fā)生非穩(wěn)定性破壞。根據(jù)黃陵二號(hào)煤礦地質(zhì)資料，主采煤層頂板為薄層狀泥巖，砂質(zhì)泥巖、粉砂巖以及中、細(xì)砂巖，底板為泥巖、粉砂巖夾灰白色細(xì)砂巖薄層。而砂巖的軟化系數(shù)普遍在0.75～0.97，屬于弱軟化性巖石，而泥巖的軟化性系數(shù)在0.10～0.50，屬于強(qiáng)軟化性巖石。從巖石成分方面分析，對(duì)巷道穩(wěn)定性影響最為嚴(yán)重的是泥巖和含有泥巖成分的砂巖。

地應(yīng)力：根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立的深部工程概念，假設(shè)覆巖的容重為25 kN/m3，則硬巖發(fā)生軟化的臨界深度為500 m，因此將>500 m深度范圍的地下工程稱為深部工程，把<500 m范圍的地下工程稱為淺部工程。黃陵二號(hào)井四盤區(qū)大巷埋深為520 m左右，根據(jù)上述深部工程的定義，黃陵二號(hào)井四盤區(qū)大巷開采已經(jīng)屬于深部工程。以采深520 m計(jì)算，四盤區(qū)的垂直應(yīng)力13.011 MPa，最大水平應(yīng)力20.024 MPa，水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，屬于高水平應(yīng)力主導(dǎo)的應(yīng)力環(huán)境，導(dǎo)致巷道頂?shù)椎钠茐牧^大。

工程軟巖性：目前對(duì)軟巖的明確定義尚不統(tǒng)一，定義有地質(zhì)軟巖和工程軟巖2種。地質(zhì)軟巖指單軸抗壓強(qiáng)度介于0.5～25 MPa之間的巖石，深部工程軟巖指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的單軸抗壓強(qiáng)度大于25 MPa的工程巖體。因此四盤區(qū)巷道圍巖表現(xiàn)出顯著的塑性變形，屬于水平應(yīng)力主導(dǎo)的深部工程軟巖。

采動(dòng)影響：隨著采煤工作面回采，受超前支承應(yīng)力影響，北二2號(hào)輔運(yùn)大巷及膠帶大巷的圍巖應(yīng)力也將隨之改變。從工作面采動(dòng)影響開始至工作面支架回撤后，上覆巖層穩(wěn)定，北二2號(hào)輔運(yùn)大巷及膠帶大巷的圍巖應(yīng)力環(huán)境將持續(xù)改變，如圖1所示。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，北二2號(hào)輔運(yùn)大巷及膠帶大巷上方支承壓力持續(xù)增加，巷道圍巖應(yīng)力進(jìn)入動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，巷道圍巖壓力經(jīng)歷了“原始應(yīng)力-應(yīng)力增加-應(yīng)力降低-應(yīng)力穩(wěn)定”的動(dòng)態(tài)過(guò)程。從北二2號(hào)輔運(yùn)大巷及膠帶大巷的圍巖變形規(guī)律可以看出，現(xiàn)有的支護(hù)方式無(wú)法有效抵御工作面超前支承壓力對(duì)巷道的破壞。因此，需對(duì)巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)加固，確保巷道能夠有效抵御工作面超前支承壓力對(duì)巷道的破壞。

a-采動(dòng)影響前；b-采動(dòng)影響時(shí)；c-采動(dòng)影響后，壓力穩(wěn)定圖1 大巷與超前支承壓力關(guān)系

2 北二大巷群采動(dòng)影響及煤柱留設(shè)模擬分析

2.1 單翼開采采動(dòng)影響分析

建立模型：為分析414工作面向北二大巷推進(jìn)過(guò)程中煤柱受力變形破壞特征(特別是其上覆巖層的運(yùn)動(dòng)破壞規(guī)律)以及煤柱超前支承壓力的顯現(xiàn)規(guī)律，采用Mohr-Coulomb材料建立模型，采空區(qū)采用null單元模擬。模型高度取100 m，寬度取300 m，長(zhǎng)度取400 m。巷道模擬計(jì)算所涉及到的圍巖巖層，均在巷道現(xiàn)場(chǎng)取樣。模型底部設(shè)置為豎直方向，左側(cè)、右側(cè)和前、后部設(shè)置為法向約束邊界，模型上部巖層對(duì)模型邊界的作用近似視為均布荷載q，即上覆巖層自重ρgH。顯然，q的選取與覆巖厚度H有關(guān)，模型埋深約520 m。模型建立后，進(jìn)行分步計(jì)算開挖，采空區(qū)頂板隨采隨冒，對(duì)采空區(qū)冒落的直接頂巖石采用相似材料進(jìn)行充填模擬。從工作面與北二大巷400 m處開挖，每隔1 m布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)記錄工作面超前支承壓力，同時(shí)記錄在工作面回采過(guò)程中，北二大巷圍巖最大垂直應(yīng)力，水平位移及垂直位移隨工作面向前推進(jìn)時(shí)的變化情況。數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型圖

單翼開采模擬結(jié)果分析：在工作面附近形成了支承壓力集中區(qū)域，最大集中應(yīng)力距離工作面煤壁約32.3 m，最大支承壓力為28.62 MPa(應(yīng)力增高系數(shù)約為2.2)。工作面前方約74.6 m范圍為支承壓力劇烈影響區(qū)域，此區(qū)域伴隨著頂板的劇烈下沉，煤體劇烈壓裂壓脹破壞，附近巷道的變形強(qiáng)烈，支承壓力在此區(qū)域內(nèi)劇烈變化。在工作面前方約202 m范圍為工作面回采影響區(qū)域，支承壓力逐漸由前方32.3 m處最大集中應(yīng)力降低到前方202 m外的接近原巖應(yīng)力狀態(tài)的區(qū)域。可見，工作面回采對(duì)前方煤柱影響區(qū)域最遠(yuǎn)距離約為202 m。因此，工作面合理留設(shè)的保護(hù)煤柱應(yīng)為202 m，即合理的停采線位置應(yīng)距離北二大巷約202 m。圖3為北二大巷最大垂直應(yīng)力系數(shù)隨煤柱寬度變化曲線。

圖3 北二大巷最大垂直應(yīng)力系數(shù)隨煤柱寬度變化曲線

2.2 雙翼開采采動(dòng)影響分析

建立模型：數(shù)值計(jì)算模型圖如圖4所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型圖

雙翼開采模擬結(jié)果分析：414工作面回采結(jié)束待上覆巖層穩(wěn)定后進(jìn)行雙翼開采，當(dāng)409工作面向北二大巷方向正常回采時(shí)，圖5所示的超前支承壓力顯現(xiàn)曲線將隨著409工作面的推移同步向前移動(dòng)。從圖中可以看出，414工作面停采線煤柱附近形成了支承壓力集中區(qū)域，最大集中應(yīng)力距離414工作面停采線約34.1 m，最大支承壓力為31.34 MPa(應(yīng)力增高系數(shù)約為2.4)。414工作面停采線前方約75.9 m范圍為支承壓力劇烈影響區(qū)域，此區(qū)域伴隨著頂板的劇烈下沉，煤體劇烈壓裂壓脹破壞，附近巷道的變形強(qiáng)烈，支承壓力在此區(qū)域內(nèi)劇烈變化。支承壓力逐漸由414工作面停采線前方34.1 m處最大集中應(yīng)力降低到前方205 m外的接近原巖應(yīng)力狀態(tài)的區(qū)域。因此，414工作面合理留設(shè)的保護(hù)煤柱應(yīng)為205 m，即414工作面合理的停采線位置應(yīng)距離北二大巷約205 m。

煤柱尺寸對(duì)北二大巷變形影響：當(dāng)L=207 m時(shí)，414工作面停采線煤柱處最大垂直應(yīng)力13.53 MPa，為原始最大垂直應(yīng)力的1.04倍，最大垂直位移為153 mm，最大水平位移為102 mm，北二大巷變形量小；當(dāng)L=200 m時(shí)，414工作面停采線煤柱處最大垂直應(yīng)力14.44 MPa，為原始最大應(yīng)力的1.11倍，剛超過(guò)原始最大垂直應(yīng)力1.1倍，最大垂直位移為181 mm，最大水平位移為137 mm，北二大巷變形量小；當(dāng)L=190 m時(shí)，414工作面停采線煤柱處最大垂直應(yīng)力17.30 MPa，為原始最大應(yīng)力的1.33倍，超過(guò)原始最大垂直應(yīng)力1.1倍，最大垂直位移為312 mm，最大水平位移為208 mm，北二大巷變形量較大。因此，414工作面合理的停采線位置應(yīng)介于200～205 m之間，在此取205 m。

a-L=250 m垂直應(yīng)力云圖；b-L=200 m垂直應(yīng)力云圖；c-L=150m垂直應(yīng)力云圖圖5 垂直應(yīng)力變化圖

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)數(shù)值模擬雙翼開采414工作面停采線煤柱支承壓力顯現(xiàn)特征，414工作面停采線前方約205 m范圍為工作面采動(dòng)影響區(qū)域；當(dāng)L=200 m時(shí)，北二大巷采動(dòng)垂直應(yīng)力系數(shù)恰好超過(guò)1.1倍，并隨著距離的減小，應(yīng)力系數(shù)急劇增高，表現(xiàn)出對(duì)北二大巷的強(qiáng)烈影響。因此合理的停采線位置應(yīng)介于200～205 m之間，取205 m，最后提出了工作面合理的停采線位置。

綜合考慮，北二大巷群受水平應(yīng)力影響大，巷道掘進(jìn)初期便出現(xiàn)頂板變形，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，大巷上方支承壓力持續(xù)增加，巷道圍巖應(yīng)力進(jìn)入動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，巷道圍巖壓力經(jīng)歷了“原始應(yīng)力-應(yīng)力增加-應(yīng)力降低-應(yīng)力穩(wěn)定”的動(dòng)態(tài)過(guò)程，巷道頂板出現(xiàn)明顯剪切變形。因此，巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)加固已迫在眉睫，以確保能夠有效抵御工作面超前支承壓力對(duì)巷道的破壞。