不同影響因素下沿空留巷圍巖變形規律研究

周 帥

(冀中能源峰峰集團辛安礦,河北 邯鄲 056200)

為滿足綠色開采和高效利用煤炭資源的要求,提高煤炭采出率,降低煤炭損失,無煤柱沿空筑墻留巷開采工藝逐漸發展為許多礦井安全高效生產的主流[1]。無煤柱開采是通過合理布置巷道和采掘順序,進而取消區段煤柱的采煤方法。此工藝的主要特點為消除因留設煤柱導致的應力集中現象,將巷道留設于低應力區;有效降低礦井掘進率,緩解采掘交替緊張的局面;提高回采率,降低煤炭損失,降低采空區瓦斯涌出等問題[2-3]。沿空巷道不僅受到上區段采空區頂板側向壓力的擾動,還受到下區段工作面回采的強烈擾動,嚴重影響巷道圍巖的穩定性。因此,研究沿空巷道圍巖的變形規律是解決支護困難的關鍵。

眾多研究學者針對沿空巷道圍巖形變規律做了大量的研究。孫秋榮[4]通過FLAC3D模擬軟件,對構筑不同寬度巷旁墻體時的圍巖應力應變進行探討,確立了合理的圍巖控制方案。韓明亮[5]通過3DEC模擬軟件模擬回采不同階段時,沿空巷道圍巖的應力和位移演變趨勢,總結出應力和位移會隨著回采的進行持續增大。呂維赟[6]以具體工作面為分析對象,采用理論分析結合數值模擬的研究方法,分析了切頂卸壓沿空留巷的圍巖應力應變規律,研究表明新型切頂技術能夠有效抑制沿空巷道圍巖變形。為探究辛安煤礦沿空留巷圍巖變形規律,有針對性地進行沿空巷道圍巖控制措施,保障辛安煤礦安全生產,本文基于多種地質影響因素情況下,通過FLAC3D數值模擬軟件研究辛安煤礦沿空留巷圍巖變形規律。

1 沿空留巷工作面概況及結構特征

1.1 工程地質概況

冀中能源辛安煤礦11212-2工作面煤層均厚4.2 m,平均傾角19°,局部含有1～2層矸石。地面標高+177.9～+215.6 m,工作面標高-466.2～-583.9 m,走向長度853.7～876.7 m,傾向長度83.2～196.3 m。11212-2工作面北部為11212-2煤柱運料巷采空區,西部緊鄰設計11210-1煤柱工作面,南部為11212-2煤柱運料通路,東部為11212-2煤柱工作面。煤層老頂為5 m厚的細砂巖,直接頂為3 m厚的粉砂巖,底板為4.9 m厚的粉砂巖,周邊地質構造較簡單,裂隙不發育。采用堆噴混凝土工藝方法構筑巷旁墻體[7],墻體為上窄下寬的梯行體。留巷工作面位于上區段工作面回風巷處,保留回風巷供下區段工作面運煤巷使用。留巷位置如圖1所示。

圖1 留巷示意圖Fig.1 Gob-side entry retaining diagram

1.2 巷道圍巖結構特征及變形機理

煤層開采過后,采空區老頂巖層會在礦山壓力作用下發生破斷失穩,隨著回采的持續進行,這種破斷呈現周期性的變化,最終形成弧形三角塊結構[8],沿空巷道圍巖結構特征與空間結構和覆巖結構運動狀況密切關聯。留巷覆巖運移機制為直接頂隨著工作面回采直接垮落,基本頂由于其自身較堅硬不垮落僅下沉,采空區側基本頂與采空區矸石接觸后停止下沉[9]。隨著周期性的斷裂下沉,直接頂充分垮落后逐漸被壓實,對上覆老頂巖層的下沉起到支撐作用,從而達到平衡狀態。平衡狀態時基本頂活動停止,留巷圍巖結構如圖2所示。

圖2 留巷結構圖Fig.2 Gob-side entry retaining structure

堆噴筑墻沿空留巷期間,工作面回采不久,采空區覆巖活動較劇烈。經受采空區滯后動壓影響巷道圍巖出現劇烈變形破壞,堆噴后的墻體可以起到主動支護的效果,待采空區活動平穩之后沿空巷道圍巖經受動壓擾動逐漸減弱,巷旁墻體的支撐力與承載力達到平衡狀態,圍巖變形破壞逐漸趨于穩定。巷道圍巖環境逐漸趨于平衡之后,因前期承受回采擾動,使得圍巖物理力學性質減弱,但仍存在頂板壓力對其的擾動。在受到頂板持續作用后圍巖出現不同程度的收縮變形,巖層間也出現相對離層錯動。

1.3 FLAC3D數值模型建立

煤層賦存地質條件不同,采場礦壓規律及巷道圍巖的變形破壞特征也不同。綜采工藝開采條件下,煤層厚度、煤層傾角、埋藏深度等地質賦存條件對沿空留巷圍巖的變形規律有重要影響。針對煤層厚度、煤層傾角、埋藏深度等因素,分別建立FLAC3D數值計算模型。巖層采用庫倫摩爾模型,巷旁支護體采用雙屈服模型,并按照堆噴沿空留巷方法分步開挖巷道、采空區并構筑巷旁支護體實現沿空留巷。

分析與研究煤層厚度、煤層傾角、埋藏深度對沿空留巷圍巖變形特征的影響規律。結合辛安礦11212-2工作面的工程背景,設計的數值模型方案見表1,單一因素設置6個水平,共建立18種數值模型。

表1 數值模型設置方案

按照實際頂板巖層柱狀圖建立的數值模型如圖3所示,未考慮的頂板巖層通過在模型頂部施加等效垂直載荷,其中模型的長(X軸)×寬(Y軸)=245 m×120 m,模型高度(Z軸)為56.9～59.4 m。模型中的回采巷道沿煤層頂板布置,回采巷道的長×寬×高=120 m×5 m×3.5 m,沿Y軸模型兩側分別留設了20 m的邊界未開挖采空區,沿空留巷的長×寬×高=80 m×4.0 m×3.5 m,沿空留巷巷旁支護體的長×寬×高=80 m×1.0 m×4.0 m(支護體嵌入巷道底板0.5 m)。數值模型中各巖層的物理力學參數設置見表2,不同層位但巖性相同的巖層設置的物理力學參數一致。

圖3 數值模型Fig.3 Numerical model

表2 數值模型各巖層物理力學參數

數值模型中工作面開挖以及沿空留巷的過程為:①建立模型,初始應力平衡;②回采巷道開挖,初始應力平衡;③沿Y軸在模型邊界留設20 m邊界煤柱,然后第一個工作面開挖5 m,同時在采空區邊緣設置寬度為1.0 m、高度為4.0 m、長度為5 m的巷旁支護體,應力平衡計算,完成一個循環;④繼續開挖第一個工作面5 m,并在已開挖采空區的邊緣設置巷旁支護體,應力平衡計算,完成第二個循環;⑤以此類推,共完成16個循環,沿空留巷80 m,沿X軸、Y軸在模型邊界各留設20 m的邊界煤柱。

計算平衡后沿巷道走向方向,在巷道頂板中線、底板中線及支護體中線位置布置位移測線。

2 不同影響因素下留巷圍巖變形分析

2.1 煤層厚度對留巷圍巖變形的影響

煤層開采厚度越大,上覆巖層垮落的幅度隨之增大,進而導致沿空留巷圍巖的變形特征不同。按照圖3所示的建模方法分別建立煤層厚度為3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m和6.0 m對應的數值模型,分別進行第一個工作面開挖、構筑巷旁墻體沿空留巷等計算,并監測沿巷道走向的頂板中線垂直位移、底板中線垂直位移、煤幫垂直應力和巷旁支護體垂直位移等礦壓數據,作為分析沿空留巷礦壓特征的指標。不同煤層厚度對應的沿空留巷礦壓特征如圖4所示。

圖4 煤層厚度對留巷圍巖變形的影響Fig.4 Influence of coal seam thickness on the surrounding rock deformation of gob-side entry retaining

根據煤層厚度變化對留巷圍巖形變量影響的模擬結果可知,巷道圍巖變形規律基本一致,但造成的圍巖變形量不一致。沿著巷道走向方向長度為120 m,頂板的位移量呈對稱分布,模型兩側的位移量較小,中部位移量最大。煤層厚度為3.5m時,頂板位移量峰值為9.3 mm;煤層厚度為6 m時,頂板位移量峰值為10.7 mm。由于模型中的邊界效應,導致沿走向方向前后兩端的位移量為負值,表現為底板的壓縮下沉。中部位移量為正值,表現為底板鼓起。煤層厚度為3.5 m時,模型中部底板的垂直位移量約為0 mm,巷旁支護體的最大垂直位移量為9 mm;當煤層厚度為6 m時,底板的垂直位移量為1 mm,巷旁支護體的最大垂直位移量為11 mm。隨著煤層厚度的增加,留巷圍巖形變量均呈現增大趨勢。造成此種現象的原因是,煤層厚度增加,采空空間加大,上覆頂板垮落幅度加大造成了較劇烈的礦山壓力,對圍巖造成了強烈的擾動。

2.2 埋深對留巷圍巖變形的影響

煤層埋藏深度越大,圍巖的地應力水平越高,煤層賦存條件更加復雜多變,造成沿空留巷的礦壓顯現規律與淺埋深煤層不盡相同。按照圖3所示的建模方法分別建立埋藏深度為300 m、400 m、500 m、600 m、700 m和800 m對應的數值模型,分別進行第一個工作面開挖、構筑巷旁墻體沿空留巷等計算,并監測沿巷道走向的頂板中線垂直應力、頂板中線垂直位移、底板中線垂直位移、煤幫垂直應力、巷旁支護體的垂直應力和垂直位移等礦壓數據,作為分析沿空留巷礦壓特征的指標。不同埋藏深度對應的沿空留巷礦壓特征如圖5所示。

圖5 埋藏深度對留巷圍巖變形的影響Fig.5 Influence of burial depth on surrounding rock deformation of gob-side entry retaining

根據埋深對留巷圍巖變形量影響的模擬結果可知,圍巖變形規律仍保持一致。沿巷道走向方向頂板位移形成位移盆地,且呈現對稱分布趨勢,模型中部位移量最大,兩側位移量最小。埋深為300 m時,巷道頂板的最大垂直位移量為33 mm,巷道底板的最大垂直位移量為1 mm,巷旁支護體的最大垂直位移量為40 mm;當埋深為800 m時,巷道頂板的最大垂直位移量為313 mm,巷道底板的最大垂直位移量為5.2 mm,支護體的最大垂直位移量為40 mm。隨著埋深的增大,留巷圍巖形變量均呈現增大趨勢。造成此種現象的原因是,埋深越大,巷道圍巖所承受地應力越大,使得巷道圍巖屈服性增加,導致圍巖形變量增大。

2.3 煤層傾角對留巷圍巖變形的影響

傾斜長壁工作面開采以后,由于采空區頂板冒落矸石在巖層傾角和自身重力作用下的垮落運動過程具有一定的方向性,造成傾斜煤層沿空巷道圍巖的應力環境、礦山壓力規律與水平煤層具有不同的分布特點。按照圖3所示的建模方法分別建立煤層傾角為0°、5°、10°、15°、20°和25°對應的數值模型,分別進行第一個工作面開挖、構筑巷旁墻體沿空留巷等計算,并監測沿巷道走向的頂板中線垂直應力、頂板中線垂直位移、底板中線垂直位移、煤幫垂直應力、巷旁支護體的垂直應力和垂直位移等礦壓數據,作為分析沿空留巷礦壓特征的指標。不同煤層傾角對應的沿空留巷礦壓特征如圖6所示。

圖6 煤層傾角對留巷圍巖變形的影響Fig.6 Influence of inclination on surrounding rock deformation of gob-side entry retaining

根據煤層傾角變化對留巷圍巖位移量的模擬結果可知,不同傾角對留巷圍巖變形影響規律基本一致。針對頂板的位移量變化而言,模型中部位移量最大,兩側最小。煤層傾角為0°時,沿空留巷頂板的最大垂直位移量為16 mm,巷道底板垂直位移量為4.3 mm,支護體位移量為226 mm;煤層傾角為25°時,沿空留巷頂板的最大垂直位移量為7 mm,巷道底板垂直位移量2.6 mm,支護體位移量為62 mm。隨著煤層傾角增大,留巷圍巖位移量逐漸減小。造成這種現象原因是,煤層傾角越大,采空區上部垮落矸石向下部堆積程度越劇烈,進而對上覆老頂巖層垮落起到支撐作用,從而抑制了老頂的垮落,形成了較小的礦山壓力,對留巷圍巖影響較小。

3 結論

1)沿空留巷圍巖變形較大會嚴重影響礦井安全生產以及制約其技術的發展,圍巖變形的主要原因是受上區段采空區側向支撐壓力影響、圍巖控制方案的不合理及頂底板巖性。

2)針對辛安煤礦11212工作面沿空留巷工作面具體地質條件,通過FLAC3D數值模擬軟件,結合多種不同影響因素,對留巷圍巖變形量進行探討得出:隨著埋深和煤層開采厚度的增加,留巷圍巖變形量逐漸增大,隨著煤層傾角增大,留巷圍巖變形量逐漸減小。