煤柱尺寸對逆斷層上盤煤層巷道圍巖穩(wěn)定性影響研究

柳研青

【摘 要】利用UDEC數(shù)值模擬軟件，建立5個(gè)二維離散元數(shù)值模型，模擬不同煤柱條件下，逆斷層上盤煤層巷道圍巖的塑性破壞特征、圍巖的移近量以及圍巖垂直應(yīng)力分布特征，研究斷層煤柱尺寸對逆斷層上盤巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：斷層煤柱尺寸為5m左右時(shí)，逆斷層上盤巷道底板塑性破壞嚴(yán)重;圍巖塑性區(qū)范圍及變形量隨斷層煤柱增大而減小，且近斷層幫大于遠(yuǎn)斷層幫。

【關(guān)鍵詞】逆斷層;煤柱尺寸;側(cè)向巷道;圍巖穩(wěn)定性

中圖分類號：TD323???? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 前言

工作面巷道掘進(jìn)過程破壞了圍巖應(yīng)力場的平衡狀態(tài)，引起應(yīng)力重新分布。當(dāng)巷道側(cè)向有與之平行的斷層時(shí)，受斷層構(gòu)造應(yīng)力的影響，圍巖應(yīng)力分布情況復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致巷道變形甚至誘發(fā)安全事故的發(fā)生。斷層與巷道之間煤柱尺寸不同時(shí)，斷層對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響也有所不同^[1-10]。因此，研究斷層煤柱尺寸對巷道上盤圍巖穩(wěn)定性的影響，對巷道沖擊危險(xiǎn)的監(jiān)測與治理具有指導(dǎo)性意義。

本文建立UDEC數(shù)值模型，模擬不同斷層煤柱尺寸條件下逆斷層上盤煤層巷道圍巖破壞情況，通過分析開挖后，不同情況下的巷道圍巖塑性破壞特征、頂?shù)装寮皟蓭偷囊平恳约皣鷰r垂直應(yīng)力分布特征，研究斷層煤柱尺寸對逆斷層上盤巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 數(shù)值模型及數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

模型尺寸為長300m×高150m，模擬煤層埋深400m，巷道寬5m×高4m。逆斷層落差4m，傾角60°。斷層帶寬度2m，分別在逆斷層上盤距斷層帶5m、10m、20m、30m、40m處開挖煤層巷道，共進(jìn)行5次模擬實(shí)驗(yàn)。

模型上部施加均布荷載大小為7.075Mpa，側(cè)壓系數(shù)1.4，底部固定邊界。模型采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，部分巖層巖體物理參數(shù)如表1所示。

2 煤柱對逆斷層上盤巷道圍巖穩(wěn)定性影響分析

2.1 上盤巷道圍巖塑性破壞特征分析

對模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得知，當(dāng)巷道位于逆斷層上盤時(shí)，巷道兩側(cè)及頂?shù)装逅苄云茐姆秶闆r，見表2。

分析表2中的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)：巷道頂板受斷層煤柱尺寸的影響較小，塑性破壞范圍變化不大;當(dāng)煤柱尺寸為5m時(shí)，底板破壞嚴(yán)重，當(dāng)煤柱尺寸大于10m時(shí)，底板破壞范圍較小;近斷層幫的塑性破壞范圍大于遠(yuǎn)斷層幫，差值隨煤柱尺寸的增大而減小，當(dāng)煤柱尺寸增至40m時(shí)，遠(yuǎn)近斷層幫的塑性破壞范圍基本相同。

由此可以得出，煤柱尺寸為5m左右時(shí)，巷道底板破壞較為嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)巷道底板的安全防護(hù)措施，采取有效的卸壓手段，保證巷道底板的安全性。遠(yuǎn)近斷層幫的塑性破壞范圍具有差異性，差值隨煤柱尺寸增加而減小。

2.2 逆斷層上盤巷道圍巖移近量特征分析

通過位移監(jiān)測的方法，測得巷道位于逆斷層上盤時(shí)，不同斷層煤柱尺寸條件下圍巖的移近量

斷層煤柱尺寸在5m～20m之間時(shí)，底板底鼓量以及兩幫移近量均隨斷層煤柱尺寸增大而減小，其中底鼓量由336 mm減至198mm，近斷層幫移近量由550mm減至90mm，遠(yuǎn)斷層幫移近量由254mm減至152mm;斷層煤柱尺寸大于20m后，底鼓量以及兩幫移近量隨斷層煤柱尺寸的增大而變化不大;隨著斷層煤柱尺寸的增加，逆斷層上盤巷道頂板下沉量變化不大，在140mm～160mm之間。

2.3 上盤巷道圍巖應(yīng)力分布特征分析

巷道近斷層側(cè)的煤體內(nèi)部垂直應(yīng)力分布情況較為復(fù)雜，受斷層帶影響明顯，在斷層帶處有明顯的應(yīng)力降低情況。

遠(yuǎn)斷層側(cè)煤體內(nèi)部垂直應(yīng)力分布曲線的趨勢大體相同，在遠(yuǎn)斷層側(cè)有應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力集中情況隨斷層煤柱尺寸的增加而減小。

對比巷道兩側(cè)的應(yīng)力分布情況，可以看出近斷層側(cè)煤體的應(yīng)力值普遍大于遠(yuǎn)斷層側(cè)，但隨著煤柱尺寸的增加，兩側(cè)應(yīng)力差值逐漸減少，當(dāng)斷層煤柱尺寸為40m時(shí)，巷道兩側(cè)20m范圍內(nèi)的應(yīng)力情況基本一致。

綜上所述，在斷層帶附近應(yīng)力值變化較大，分布情況較為復(fù)雜。因此，在掘進(jìn)逆斷層上盤巷道過程中，若巷道接近逆斷層時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取防護(hù)措施，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性，確保掘進(jìn)工作的正常進(jìn)行。

3 結(jié)論

1）煤柱尺寸小至5m左右時(shí)，逆斷層上盤巷道底板塑性破壞嚴(yán)重，底鼓量較大，應(yīng)采取有效的防護(hù)措施，保證巷道的安全可靠性。

2）巷道位于逆斷層上盤條件下，斷層煤柱尺寸小于20m時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)范圍及變形量隨斷層煤柱尺寸增大而減小，大于20m后，移近量基本不變。

3）對于逆斷層上盤巷道，近斷層幫的塑性破壞范圍、移近量和應(yīng)力集中情況，均大于遠(yuǎn)斷層幫，差值隨煤柱尺寸的增大而減小。

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（作者單位：兗州煤業(yè)股份有限公司 鮑店煤礦）