動壓軟巖條件下沿空掘巷圍巖失穩(wěn)機制研究

趙國會 尹增德 劉進曉 周 豪 馮宜語

(山東科技大學礦業(yè)與安全工程工程學院)

動壓軟巖條件下沿空掘巷圍巖失穩(wěn)機制研究

趙國會 尹增德 劉進曉 周 豪 馮宜語

(山東科技大學礦業(yè)與安全工程工程學院)

基于動壓條件下軟巖巷道圍巖變形機理等相關理論，借助巖石力學實驗、FLAC3D數(shù)值模擬，對龍口梁家煤礦六采區(qū)4600工作面下順槽沿空掘巷圍巖失穩(wěn)機制進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：深部高應力、圍巖低承載能力以及動壓的影響是工作面下順槽圍巖失穩(wěn)的主要原因。

動壓 數(shù)值模擬 軟巖 沿空掘巷 圍巖失穩(wěn)

為了降低巷道掘進工程量，提高工作面煤炭資源回收率，一些主要產(chǎn)煤國家從上世紀50年代開始進行沿空掘巷的試驗研究。現(xiàn)該技術已趨成熟，也在現(xiàn)場得到了很好的應用，但是，對于動壓條件沿空掘巷的研究還相對較少。澳大利亞主要研究條帶開采中采寬與煤柱寬度的關系[1]；英國A.H威爾遜提出煤柱兩區(qū)約束理論，推導出了三向應力狀態(tài)下煤體的極限強度簡化計算公式，通過實驗確定煤柱屈服區(qū)寬度，并在實驗的基礎上得出煤柱承載能力的計算公式[2]；何滿潮提出的軟巖工程力學支護理論，是由工程地質(zhì)學和現(xiàn)代大變形相結(jié)合的研究方法，通過分析軟巖變形的力學機制，提出以轉(zhuǎn)化復合型變形力學機制為核心的一種新的軟巖巷道支護理論[3]；林育梁分析軟巖變形流動型式與軟巖支護優(yōu)化之間的關系，指出軟巖的支護應與其變形流動型式相適應[4]。動壓條件下軟巖巷道因其礦壓顯現(xiàn)劇烈、圍巖變形量大的特點而變得難以維護，因而成為制約煤礦發(fā)展的一大瓶頸[5]。

1 梁家煤礦基本概況

梁家煤礦4煤層6采區(qū)內(nèi)隱伏較大斷層且缺失帶較發(fā)育，采區(qū)巷道圍巖屬于典型的三軟地層，內(nèi)含大量泥巖，遇水易泥化，維護困難。4600工作面位于已經(jīng)開采的4602工作面北側(cè)，兩工作面的位置關系如圖1所示。由于礦井生產(chǎn)接替的需要，開采4602工作面的同時必須掘出4600工作面的順槽。為了減少對其影響，4600工作面下順槽追4602工作面掘進，當4602工作面到達停采線后，4600工作面下順槽再相向?qū)蛑敝霖炌?。在此過程中4600掘進工作面會受到4602回采工作面采動的影響。

1.1 巷道圍巖力學實驗

為了研究該礦巷道圍巖變形機制，在該礦煤4六采區(qū)皮帶下山中部水倉位置，采用常規(guī)水鉆法鉆取巖芯，選擇8個巖石試件，編號01～08。采用MTS815.03電液伺服巖石試驗機，對巖樣進行力學實驗，得到單軸壓縮強度、彈性模量等力學參數(shù)，以此為依據(jù)計算普氏系數(shù)，巖力學參數(shù)見表1。

圖1 4600工作面位置

表1 單軸壓縮試驗結(jié)果

通過單軸壓縮試驗得出：大部分試件在較低強度下就產(chǎn)生脆性破壞，試件的普氏系數(shù)最大為2.543，屬于軟巖范疇，說明軟巖是導致梁家煤礦工作面巷道圍巖的穩(wěn)定性極差且變形劇烈的原因。

1.2 動壓巷道圍巖破壞機制

動壓作用下巷道圍巖破壞機理即為煤柱失穩(wěn)和頂板失穩(wěn)機理。動壓條件下巷道小煤柱、頂板是一個有機整體，因此，巷道圍巖變形和失穩(wěn)破壞是各組成部分之間相互作用、相互影響的綜合結(jié)果，任一部分變形失穩(wěn)都將導致部分乃至整個巷道圍巖的失穩(wěn)破壞。

1.2.1 動壓作用下煤柱失穩(wěn)機理分析

沿空掘巷留“窄煤柱”的基本概念是：只隔離、不承載，即巷道盡可能布置在采空區(qū)側(cè)向支撐壓力引起的應力釋放區(qū)內(nèi)部，煤柱僅僅起到隔離工作空間和采空區(qū)的作用，煤柱本身不承受荷載，“窄煤柱”力學模型如圖2所示。

圖2 “窄煤柱”力學模型

在“窄煤柱”力學模型中，應力分布趨向均勻，從煤柱邊緣至內(nèi)部，一般會出現(xiàn)片幫區(qū)、松弛區(qū)、塑性區(qū)，煤柱中央的彈性區(qū)很小甚至不存在，而且整個煤柱都會發(fā)生塑性變形，煤柱可能會因長期處于塑性流變狀態(tài)下而遭到嚴重破壞。因此，小煤柱支撐作用幾乎完全喪失。

動壓作用下，更加劇了煤柱的失穩(wěn)破壞，此時煤柱已經(jīng)完全進入塑性破裂狀態(tài)，大大降低了煤柱的整體承載性能，在老頂巖梁的整體回轉(zhuǎn)運動中，煤柱不斷向巷道內(nèi)側(cè)和采空區(qū)兩個方向坍塌，導致煤柱的失穩(wěn)(如圖3)。

圖3 動壓影響下的小煤柱失穩(wěn)

1.2.2 動壓作用下頂板失穩(wěn)機理分析

在回采動壓的作用下，沿空側(cè)和實體煤側(cè)的煤體分別或較大范圍進入塑性狀態(tài)，兩幫的承載能力進一步喪失。如果此時頂板及兩幫未采取有效地支護或支護結(jié)構(gòu)整體剛度不夠，則頂板極易發(fā)生離層彎曲下沉，兩幫煤體因承受不了頂板離層彎曲下沉帶來的高應力集中而崩潰，迅速增大了巷道的跨度，進一步加劇了頂板的離層彎曲下沉。見圖4。

圖4 動壓影響下的頂板失穩(wěn)

通過對地質(zhì)條件和現(xiàn)場情況的分析，4600下順槽應該受到以下4方面次生應力的影響：①4602工作面回采引起的次生應力；②巷道掘進自身引起的次生應力；③巷道對掘引起的次生應力；④4600工作面回采引起的次生應力。由于這4種次生應力同時或是階段性的對于順槽的影響，使得下順槽圍巖破壞嚴重，動壓也是導致圍巖失穩(wěn)的重要原因。

2 梁家礦4600工作面動壓條件下數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬模型建立

本模擬分析4600工作面下順槽掘進巷道在掘進頭滯后4602工作面60 m的情況下，工作面開采對巷道穩(wěn)定性的影響。4602工作面在連續(xù)推進3次的情況下，研究下順槽在動壓影響下的塑性區(qū)分布。掘進工作面推進10 m與4602工作面推進10 m一次性完成，工作面每推進一次則巷道受一次動壓影響。

模型尺寸為99.4 m×120 m×40 m，網(wǎng)格劃分為55×50×30。模型上部按均布載荷布置，垂直應力按上覆巖層重量計算，水平應力取垂直應力的1倍，垂直應力值為11.25 MPa，選取Mohr-Coulomb屈服準則。

模型邊界條件：x軸方向上的兩個邊界面均為滑移支座，約束x軸方向位移；y軸方向上的兩個邊界面也均為滑移支座，約束y軸方向位移；z軸方向模型底面為固定端，約束其各個方向上的位移。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)上述數(shù)值模擬參數(shù)建模、計算，得出4600工作面下順槽動壓條件下圍巖塑性區(qū)分布，見圖5。

圖5 動壓條件下圍巖塑性區(qū)分布

由圖5可以看出，4602工作面推進60 m后，頂板巖層開始垮落、彎曲下沉，塑性破壞區(qū)分布較廣泛，頂板巖層彎曲下沉部位均出現(xiàn)塑性破壞；當工作

面向前推進10 m時，巷道受到來自于工作面開采的第一次動壓影響，巷道圍巖塑性區(qū)范圍急劇增加，巷道與采空區(qū)之間的小煤柱發(fā)生彎曲變形，小煤柱采空區(qū)側(cè)向采空區(qū)鼓出，出現(xiàn)拉應力，產(chǎn)生拉破壞，巷道與采空區(qū)之間的小煤柱整體發(fā)生塑性屈服；當巷道受到第二次動壓影響時，巷道上部巖層的塑性區(qū)明顯的增大，小煤柱依然完全處于塑性狀態(tài)，兩次動壓影響下整個小煤柱均一直處于塑性破壞狀態(tài)，小煤柱無法支撐上部巖層的壓力，同時可以看出頂板塑性區(qū)范圍也有所增大。通過上述動壓條件下巷道圍巖破壞機制可知，頂板及小煤柱的失穩(wěn)破壞必將導致巷道圍巖的失穩(wěn)和破壞，因此動壓的影響嚴重威脅著巷道的穩(wěn)定與掘進工作面的安全。

3 結(jié) 論

(1)梁家煤礦動壓因素的存在嚴重影響著巷道圍巖的穩(wěn)定性，因而在沿空掘巷掘進過程中，須考慮到相鄰區(qū)段工作面推進以及自身掘進而產(chǎn)生的影響，因而在原有支護基礎上，特別是關鍵部位要進行相應的加強支護。

(2)通過數(shù)值模擬確定：高地應力、低圍巖承載能力導致巷道支護困難。深部高地應力、圍巖低承載能力、動壓因素的影響是工作面下順槽圍巖失穩(wěn)的主要原因。

(3)梁家煤礦開采動壓影響與軟巖問題增加了煤礦開采和巷道的支護難度，在實際開采作業(yè)時要綜合分析各影響因素的耦合作用，以便采取相應的聯(lián)合支護措施應對復雜的地質(zhì)環(huán)境。

[1] 謝和平，段法兵，周宏偉，等.條帶煤柱穩(wěn)定性理論與分析方法研究進展[J].中國礦業(yè).1998,7(5):37-41.

[2] Wilson A H,Ashwin D P.Research into the determination of pillar size[J].The mining Engineer.1972,131:409-417.

[3] 何滿潮,景海河,孫曉明.軟巖工程地質(zhì)力學研究進展[J].工程地質(zhì)學報,2000,8(1):46-62.

[4] 林育梁.軟巖工程力學若干理論問題的探討[J].巖石力學與工程學報,1999,18(6)::690-693.

[5] 張向陽.動壓影響下大巷圍巖變形機理與卸壓控制研究[J] .安徽理工大學學報，2007(2)：1-2.

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Research on the Surrounding Rock Instability of Roadway Driving along Next Goaf under the Condition of Dynamic Pressure and Soft Rock

Zhao Guohui Yin Zengde Liu Jinxiao Zhou Hao Feng Yiyu

(College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology)

Based on the deformation mechanism of surrounding rock under dynamic pressure，the methods of rock mechanical testis condected by using the numerical simulation by FLAC3Dto study on the deformation mechanism of surrounding rock in roadway driving along next goaf in six mining district 4600 working face of Liangjia coal mine in Longkou. The results showe that, deep high stress, low bearing capacity of surrounding rock and effect of dynamic pressure are proved to be the main reasons of roadway failure.

Dynamic pressure, Numerical simulation, Soft rock, Roadway driving along goaf, Surrounding rock instability

2014-09-24)

趙國會(1988—)，男，碩士研究生，266590 山東省青島市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)前灣港路579號。