綜放開采沿空留巷圍巖變形特征

魏 飛

(山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037104)

0 引言

無煤柱開采技術(shù)自被推廣以來往往作為最優(yōu)方案進(jìn)行應(yīng)用，它的提出成功解決了窄煤柱護(hù)巷過程中巷道維護(hù)困難、維護(hù)成本高等問題，同時(shí)寬煤柱護(hù)巷過程中優(yōu)質(zhì)資源被遺棄浪費(fèi)的問題也得到了極大改善。而沿空留巷作為無煤柱開采的主要技術(shù)之一又因其資源回收率高，通風(fēng)效果良好等優(yōu)點(diǎn)更是被廣泛應(yīng)用。但是在應(yīng)用過程中留巷圍巖變形量大使巷道返修工程量大、維護(hù)費(fèi)用高，嚴(yán)重制約了礦井高效生產(chǎn)，科技工作者也就此開展了大量的科研工作。謝文兵等[1-2]通過運(yùn)用數(shù)值模擬對(duì)綜放工作面留巷圍巖的應(yīng)力分布及變形規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了頂板、煤幫及支護(hù)體的變形演化特征，并提出基本頂斷裂導(dǎo)致關(guān)鍵塊發(fā)生運(yùn)移是留巷圍巖變形的根本原因。馬立強(qiáng)[3]通過對(duì)綜放工作面沿空留巷圍巖力學(xué)模型的推導(dǎo)建立，對(duì)巷道變形機(jī)制從理論上進(jìn)行了闡釋，并對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。侯朝炯等[4-6]通過礦山監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)留巷前、中、后不同時(shí)期的變形特征進(jìn)行總結(jié)分析，并結(jié)合所得結(jié)果建立了不同時(shí)期留巷圍巖的結(jié)構(gòu)模型。王紅勝等[7]分析巷道圍巖變形規(guī)律，認(rèn)為沿空巷道其基本頂斷裂是其產(chǎn)生大變形的根本原因，并將基本頂斷裂形式根據(jù)不同情況劃分成四類。孫恒虎等[8]基于彈塑性力學(xué)理論對(duì)留巷頂板進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建立了頂板運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型。李勝、王曉虎等[9-10]利用關(guān)鍵層理論對(duì)頂板下沉模型進(jìn)行推導(dǎo)建立，給出了沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則。在沿空留巷圍巖變形機(jī)制研究及控制方面盡管已經(jīng)卓有成效，但受煤礦復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境影響，巷圍巖變形機(jī)制至今尚未形成共識(shí)，仍需對(duì)其進(jìn)行深入研究。因此，以山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司4102綜放工作面為工程背景，從理論層面分析綜放開采沿空留巷圍巖大變形機(jī)理，結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)沿空留巷圍巖變形特征進(jìn)行研究，以期保證礦井正常生產(chǎn)工作，并能為相似條件礦井提供技術(shù)參考。

1 工程地質(zhì)概況

4102綜放工作面地面標(biāo)高+1 376.2～+1 408 m，井下標(biāo)高+1 120～+1 140 m，平均埋深256 m，工作面走向長(zhǎng)1 195.5 ～1 214.1 m，平均長(zhǎng)1 204.8 m，傾向長(zhǎng)148.5 m，平均煤厚為5.38 m，傾角1°～4°，平均3°，為近水平煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性質(zhì)穩(wěn)定。直接頂為15.37 m的中、細(xì)砂巖，普氏系數(shù)為8，老頂為12.28 m的粗、中砂巖，普氏系數(shù)為7.7，屬堅(jiān)硬頂板，直接底為泥巖，厚1.3 m。該工作面巷道支護(hù)形式為錨桿錨索金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，在工作面回采前對(duì)留巷預(yù)先進(jìn)行加固。巷旁充填體寬度為3 m，材料選擇高強(qiáng)度膏體充填材料，并在充填體兩側(cè)布設(shè)鋼筋進(jìn)行加固處理。

2 沿空留巷圍巖變形理論分析

2.1 沿空留巷圍巖大變形機(jī)理分析

力學(xué)模型：根據(jù)礦壓理論，隨工作面推進(jìn)，基本頂發(fā)生斷裂，形成規(guī)則塊體依次塌落形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，即在留巷上方形成關(guān)鍵塊[12]，相鄰塊體間發(fā)生相互作用并形成水平推力。依據(jù)4102綜放工作面實(shí)際地質(zhì)采礦條件建立力學(xué)模型，如圖1所示，將關(guān)鍵塊分別命名為塊體A、B、C[13]。

變形過程：在成巷初期，推采距離小，基本頂未發(fā)生破斷，巷旁支護(hù)體僅承擔(dān)上方直接頂及其控制區(qū)域覆巖重力。當(dāng)工作面推進(jìn)至某一距離，基本頂發(fā)生破斷，出現(xiàn)關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)，由于關(guān)鍵塊B長(zhǎng)度較大，隨塊體的運(yùn)動(dòng)不斷發(fā)生回轉(zhuǎn)變形，致使下方沿空留巷圍巖承載力升高且變形量不斷增大，直到塊體B觸矸后，巷道變形最終達(dá)到穩(wěn)定。此時(shí)，從下一工作面到采空區(qū)范圍內(nèi)形成7個(gè)大小不等的應(yīng)力區(qū)，而留巷位置受塊體B回轉(zhuǎn)影響由原低值應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高應(yīng)力區(qū)，特別是在巷旁支護(hù)體處出現(xiàn)了小幅度應(yīng)力集中現(xiàn)象，由此巷旁支護(hù)體在較大載荷影響下發(fā)生大變形，高度及強(qiáng)度有所下降，留巷圍巖也隨著發(fā)生較大變形。

2.2 巷旁充填體支護(hù)阻力力學(xué)計(jì)算

隨工作面開采，堅(jiān)硬頂板巖層狀態(tài)不斷發(fā)生變化，巷旁充填體支護(hù)阻力隨頂板巖層狀態(tài)變化不斷變化，因此在進(jìn)行支護(hù)體寬度設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)頂板應(yīng)力狀態(tài)充分考慮，分別從支護(hù)初期及支護(hù)后期兩個(gè)時(shí)段計(jì)算巷旁充填體支護(hù)阻力。

支護(hù)初期：在沿空留巷初期，基本頂由于下位巖體能夠提供有效支撐尚未發(fā)生破斷，充填支護(hù)體僅支撐附近破斷直接頂，此時(shí)受力情況如圖2所示，計(jì)算見式(1)

圖2 支護(hù)初期充填體力學(xué)模型

(1)

式中：PZ1—充填體支護(hù)阻力，MPa；x0—實(shí)體煤支撐段，一般取巷道寬度4倍，m；c—巷道寬度，m；m—煤層厚度，m；n—采高倍數(shù)；γ0—直接頂巖石容重；a1—充填體寬度，m。

支護(hù)后期：當(dāng)控頂范圍達(dá)到一定程度，基本頂發(fā)生破斷，此時(shí)支護(hù)體外側(cè)支撐阻力增大，此時(shí)受力簡(jiǎn)圖如圖3所示，支護(hù)阻力求解見式(2)。

圖3 支護(hù)后期充填體力學(xué)模型

(2)

式中：Pq—切頂阻力，MPa；h—直接頂厚度，m；Nc—空區(qū)側(cè)剪應(yīng)力，MPa；t0—回轉(zhuǎn)時(shí)間，h；δy—煤體支護(hù)阻力，MPa；Tc—沿巖層方向的推力，kN；ΔSB—基本頂跨落前懸臂梁前端下沉量，m；q0—直接頂單位長(zhǎng)度自重；a2—充填體寬度，m。

3 沿空留巷圍巖應(yīng)力分布規(guī)律及變形特征

3.1 數(shù)值模型的建立

模型參數(shù)：基于FLAC3D建模原理，根據(jù)所選區(qū)域采礦地質(zhì)條件，建立如圖4所示的數(shù)值模型，模型的幾何尺寸為400 m×1 300 m×300 m(長(zhǎng)×寬×高)，模擬地層主要參數(shù)為：煤層厚5.38 m，埋深256 m，充填體寬度為3 m。根據(jù)計(jì)算分析的需要，同時(shí)考慮計(jì)算效率，對(duì)巖層厚度及性質(zhì)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化；選取的巖層傾角較小，因此在進(jìn)行建模分析時(shí)，巖層按照水平布置；在網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)采取了非均勻劃分，在煤層及其頂?shù)装甯浇W(wǎng)格劃分較為密集，遠(yuǎn)離煤層的巖層網(wǎng)絡(luò)劃分較為稀疏。模型建立后，模型頂部為自由面，在水平方向的4個(gè)邊界施加水平方向的位移約束，并限制底部垂直方向位移。

圖4 數(shù)值模型

力學(xué)參數(shù)：本次數(shù)值模擬采用模型為庫(kù)倫-摩爾模型。模擬過程中模型各層位巖性的力學(xué)參數(shù)來自現(xiàn)場(chǎng)試樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)后獲得的參數(shù)，主要包括密度、體積模量、剪切模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度等，具體取值見表1。

3.2 圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

垂直應(yīng)力曲線：通過提取充填體不同時(shí)段的垂直應(yīng)力曲線，如圖5所示。發(fā)現(xiàn)在支護(hù)初期巷旁支護(hù)體垂直應(yīng)力為1.5 MPa，隨時(shí)間推移，垂直應(yīng)力出現(xiàn)先升高當(dāng)垂直應(yīng)力達(dá)到3.22 MPa后下降的現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到2.75 MPa時(shí)，基本不再發(fā)生變化。

表1 各巖層巖性參數(shù)

規(guī)律分析：由此可知在支護(hù)初期充填體能夠較好地發(fā)揮支護(hù)能力，支護(hù)效果良好，當(dāng)基本頂發(fā)生斷裂后，支護(hù)體承擔(dān)的重量增加，其垂直應(yīng)力增加。由于支護(hù)體本身強(qiáng)度并不高，隨支護(hù)阻力增加，支護(hù)體被壓縮承載能力下降，但隨著上覆巖層觸矸其支護(hù)阻力不再發(fā)生變化。

圖5 巷旁支護(hù)體應(yīng)力-時(shí)間曲線

3.3 圍巖變形特征

巷旁支護(hù)體最終水平變形云圖，如圖6所示。并進(jìn)一步通過對(duì)充填體水平位移觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，如圖7所示。可以看出，巷旁支護(hù)體、實(shí)體煤幫均向巷道移進(jìn)，但巷旁支護(hù)體向兩側(cè)發(fā)生鼓脹，巷幫移進(jìn)更為顯著，最終其變形量分別達(dá)到0.57 m、0.13 m，且其變化趨勢(shì)與支護(hù)體時(shí)間-應(yīng)力曲線變化趨勢(shì)相吻合，隨承載覆巖重力增加，圍巖水平移進(jìn)速率大幅提高，當(dāng)關(guān)鍵塊觸矸穩(wěn)定后，變形速率逐漸減小直至穩(wěn)定。

圖6 巷道圍巖x向水平位移云圖

圖7 巷道兩幫x向水平位移-時(shí)間曲線、巷旁支護(hù)體應(yīng)力-時(shí)間曲線

4 結(jié)論

(1)從理論層面分析了沿空留巷圍巖大變形發(fā)生機(jī)理，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵塊體B斷裂回轉(zhuǎn)使留巷位置由低值應(yīng)力區(qū)變?yōu)楦咧祽?yīng)力區(qū)，從而致使圍巖發(fā)生大變形，同時(shí)分別從支護(hù)初期及支護(hù)后期兩個(gè)時(shí)段建立了巷旁充填體受力模型。

(2)運(yùn)用FLAC3D模擬軟件研究分析了留巷圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律及變形特征，結(jié)果表明在支護(hù)初期巷旁支護(hù)體支護(hù)效果良好，垂直應(yīng)力為1.5 MPa，水平位移極小；隨著基本頂發(fā)生斷裂后，巷道圍巖承擔(dān)的重量增加，其垂直應(yīng)力增加，達(dá)到3.22 MPa，變形速率也達(dá)到最大；隨著上覆巖層觸矸，巷道圍巖垂直應(yīng)力穩(wěn)定在2.75 MPa，最終巷道兩幫變形量分別達(dá)到0.57 m、0.13 m。