地表超高渣堆對井下巷道穩定性的影響研究*

劉春橋，沈榮喜，周 勇，陳海亮，王學兵

（1.國家能源集團烏海能源有限責任公司，內蒙古 烏海 016000;2.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116;3.國能烏海能源五虎山礦業有限責任公司，內蒙古 烏海 016010）

1 引言

井下巷道是礦井安全生產的重要通道，巷道穩定與否直接影響著礦井能否正常生產、作業人員安全通道是否暢通可靠。巷道圍巖應力決定巷道變形量、頂板離層的大小，進而影響巷道的穩定性。巷道圍巖應力大小主要受埋深、地質構造、采掘活動等因素的影響［1-4］。崔道品等［5］在西南某礦山體賦存條件的基礎上，模擬地表起伏對垂直應力集中程度的影響，指出水平應力與其對應地表的位置有密切關系。周濤［6］模擬了地表山體對下部煤巖層應力狀態的影響，并按照應力影響大小分為明顯影響區、影響減弱區及無影響區。孫玉亮等［7］研究了小發路煤礦山體對井下回采巷道的影響大小，并提出了山體下軟巖巷道圍巖控制技術。沈榮喜等［8］研制了適用于煤體的三維應力測試方法與系統，并研究了三維地應力的大小及方向對巷道圍巖的形變與穩定性的影響。超高建（構）筑物或山體的存在［9］，相當于增加了煤層上覆巖層厚度，煤層的垂直應力也相應增大，因此在進行巷道支護設計及頂板管理時必須考慮地表建（構）筑物或山體的附加應力。現有文獻對巷道圍巖穩定影響因素及其控制技術已有較多研究［10-12］，但有關地表渣堆對井下巷道穩定影響方面缺乏研究，必須指出的是，與地表建筑或山體不同，地表渣堆處于持續增長的動態變化過程，因此，其對井下巷道的影響需要進一步深入研究。

國能烏海能源五虎山煤礦自2018年開始在地表堆積礦渣，渣堆下方的010910、011006等工作面回采過程中受其影響出現回采巷道圍巖大變形、鋼棚嚴重變形等礦壓顯現增大的現象。因此，本文針對五虎山煤礦地表礦渣，采用FLAC3D數值分析軟件模擬不同渣堆高度下巷道圍巖的應力應變，揭示渣堆高度變化對井下巷道穩定性的影響規律及影響程度，從而確定渣堆的合理高度以便保障礦井安全生產，研究結果對類似煤礦的安全開采具有重要的參考價值。

2 礦山工程概況

五虎山煤礦位于內蒙古自治區賀蘭山煤田北段烏達礦區的南部，礦區為低山丘陵高原地貌，地形起伏較大，小溝谷縱橫，最高點位于礦區西南部，海拔標高1318m，最低點位于礦區東部2號拐點附近，海拔標高1240m，海拔相對高差78m，礦區內地形總體地勢西高東低，南高北低，地表基巖裸露，植被稀少，生態脆弱。井田內煤層賦存呈單斜構造，走向近似南北，傾向東，主采9、10及12號煤層，均為中厚煤層，煤層傾角為5°～15°，煤層結構較簡單，9煤平均埋深為200m。

2018年以來，五虎山井田南翼地表劃為排渣場地，堆放相鄰露天煤礦的剝離物，渣堆覆蓋了01采區的整個南翼區域及部分北翼區域，包括當時正在生產的010910、011006等采掘工作面。截止2020年8月，渣堆覆蓋面積約為8.59km2，最大高度已達110m。如果渣堆影響與工作面回采影響疊加，則采動影響范圍內的煤巖變形、破裂將更為劇烈，回采巷道將發生大變形甚至嚴重破壞。因此有必要研究五虎山地表渣堆對井下工作面的影響規律。限于篇幅，本文只研究渣堆堆積對9煤回采巷道的影響。

3 模型建立

由FLAC3D構建的三維模型如圖1所示，長×寬×高(Y×X×Z)為1300m×800m×126m，模型中X方向為煤巖層傾向，Y方向為煤巖層走向，Z方向為豎直方向。模型四周邊界均固定水平位移，底端邊界固定垂直位移，頂端邊界施加均勻載荷。模型共包含3200121個節點，3120000個單元。模型本構關系采用Mohr-Coulomb破壞準則。

圖1 五虎山煤礦三維數值仿真模型

在五虎山010910工作面采取9煤及其頂底板巖樣進行巖石力學參數測試，并結合礦區地質資料，確定煤巖層參數如表1所示。

表1 模型各層煤巖物理力學參數

為對比研究地表不同高度渣堆對9煤工作面回采巷道的影響程度，設定三種模擬方案：①渣堆高度0m（相當于地表無渣堆）；②渣堆高度50m；③渣堆高度100m。

4 模擬結果分析

以下通過對比巷道圍巖應力峰值、采動影響范圍、塑性區分布等指標研究不同高度渣堆對巷道穩定性的影響規律。

4.1 應力峰值大小及位置對比

地表渣堆高度分別為0m、50m、100m時，隨工作面推進，回采巷道圍巖應力峰值大小、位置及采動影響范圍變化對比如圖2～4所示。

圖2 峰值應力變化對比

由圖2可知，隨工作面推進，不同渣堆高度應力峰值變化趨勢基本相同：

（1）回采初期，峰值應力不斷升高。

（2）工作面推進0～60m期間，峰值應力增加速度較快。

（3）推進60～100m期間，峰值應力增加幅度變小，應力峰值逐漸趨于穩定。

地表無渣堆時在16MPa上下波動，渣堆高度50m時在22MPa上下波動，渣堆高度100m時在27MPa上下波動。與地表無渣堆相比，渣堆高度50m時應力峰值增長了37.5%，渣堆高度100m時應力峰值增加了68.8%。

由圖3可知，應力峰值位置先隨工作面推進距離的增加而逐漸增大，而后趨于穩定。地表堆積渣堆高度越高，峰值應力位置就超前工作面煤壁越遠。工作面推進60m后，地表無渣堆時峰值應力穩定在距工作面約4m位置，渣堆高度50m時峰值應力穩定距工作面約6m位置，渣堆高度100m時峰值應力穩定在距工作面約7m位置。與地表無渣堆相比，渣堆高度50m時應力峰值位置增長了50.0%，渣堆高度100m時應力峰值位置增加了75.0%。

圖3 峰值應力位置變化對比

由圖4可知，回采初期，采動影響范圍快速擴大，然后趨于穩定，地表無渣堆時采動影響區范圍約為工作面超前40m，渣堆高度50m時采動影響區范圍約為工作面超前47m，渣堆高度100m時采動影響區范圍約為工作面超前53m。與地表無渣堆相比，渣堆高度50m時采動影響區范圍增加了17.5%，渣堆高度100m時采動影響區范圍增加了32.5%。

圖4 采動影響范圍變化對比

4.2 圍巖塑性區對比

圖5 為不同渣堆高度下回采巷道圍巖塑性區分布圖。

圖5 不同渣堆高度回采巷道塑性區對比

由圖5可知，地表無渣堆時，9煤回采巷道的塑性區范圍主要分布在巷道兩幫的小范圍內，塑性區擴展深度為6m；渣堆高度增加到50m時，巷道兩幫的塑性區向圍巖深處非均勻快速擴展，兩幫塑性區擴展深度增至8m，與地表無渣堆相比增加了33.3%，同時，在巷道頂部及底部也出現塑性區，頂部塑性區擴展深度為4m，底板塑性區擴展深度為2m；渣堆高度增加到100m時，巷道破壞范圍與塑性區形態急劇變化，巷道的頂部、幫部及底部都出現大范圍的塑性區，兩幫塑性區向圍巖深部擴展速度加快，擴展深度增至10m，與地表無渣堆相比增加了66.6%，頂部塑性區擴展深度增至5m，底部塑性區擴展范圍保持穩定。綜上可知，隨地表渣堆高度增大，9煤回采巷道圍巖的塑性區范圍顯著擴大，圍巖發生較大變形，必須對巷道進行及時維護，以保障后續生產的安全。

5 實測對比

五虎山煤礦自2018年8月開始在地表堆積渣堆，010908工作面回采時間為2016年4月-2017年8月，期間地表無渣堆；010910工作面回采時間為2019年7月-2020年7月，地面已存在渣堆。收集010908工作面回采巷道、實測010910工作面回采巷道的變形量，繪制巷道頂底移近量、兩幫移近量如圖6所示。

圖6 9煤工作面回采巷道移近量對比

由上圖可知，010908工作面頂底和兩幫移近量分別為0.27m、0.18m；010910工作面頂底和兩幫移近量分別為0.75m、0.40m，是010908工作面頂底和兩幫移近量的2.78倍和2.22倍，即地表渣堆使9煤工作面頂底移近量增長178%，兩幫移近量增長122%，實測與模擬分析的結果一致。

結合巷道現場監測與模擬分析，從保障礦井安全生產的角度出發，應將地表渣堆高度嚴格控制在100m以下。

6 結論

（1）地表無渣堆時，010910工作面回采巷道圍巖應力峰值為16MPa，采動影響范圍為工作面超前40m區域。與地表無渣堆相比，地表渣堆高度50m時，工作面回采巷道圍巖應力峰值增加了37.5%，采動影響范圍增加了17.5%；地表渣堆高度100m時，回采巷道圍巖應力峰值增加了68.8%，采動影響范圍增加了32.5%。

（2）隨地表渣堆高度增大，010908工作面巷道塑性區從巷道兩幫擴大到巷道頂部和底部，并快速向圍巖深部擴展，尤其以兩幫塑性區向圍巖深處擴展最為明顯，與地表無渣堆相比，渣堆高度50m時擴展深度增加了33.3%，渣堆高度100m時擴展深度增加了66.6%。

（3）巷道變形實測對比表明，超高渣堆使010908工作面巷道頂底和兩幫移近量分別增長了178%和122%，回采巷道底鼓嚴重，兩幫變形較大。

（4）渣堆高度100m時，工作面巷道應力峰值、巷道頂底移近量和兩幫移近量遠高于無渣堆情況，從保障礦井安全開采角度出發，應將渣堆高度控制在100m以下。