綜放采動影響下煤巷圍巖變形破壞規(guī)律研究

樊曉飛

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計院有限公司， 山西 晉城 048006)

在我國煤礦開采中，近距離煤層賦存和開采所占比重很大，大多礦區(qū)都存在近距離煤層群開采的問題，如大同礦區(qū)、平頂山礦區(qū)及淮南礦區(qū)等，這些礦區(qū)開采規(guī)模相對較大，多數(shù)還具有厚煤層. 厚直接頂?shù)葟?fù)雜地質(zhì)條件，綜放工作面在采動應(yīng)力影響下沿煤層底板傳遞更大的應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生更大范圍的破碎區(qū)，對下煤層巷道的圍巖破壞相對嚴(yán)重并造成巷道維護(hù)困難等問題[1-2]. 因此，對綜放工作面下方回采巷道受多重疊加應(yīng)力影響下圍巖的變形規(guī)律的研究，對后期巷道掘進(jìn)時間及支護(hù)方式的選定很重要。

1 工程概況

某礦現(xiàn)階段主采煤層為4#煤與9#煤，其中4#煤為石炭系上統(tǒng)太原組頂部煤層，平均厚度為8.72 m，其直接頂平均厚15.0 m，巖性為中-粗粒砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，成分以石英為主；直接底厚1.98～6.80 m，平均厚4.11 m，巖性為砂質(zhì)泥巖。9#煤直接頂平均厚度為1.12 m，主要成分為泥巖和炭質(zhì)泥巖，基本頂厚度4.0～10.8 m，平均7.39 m，主要成分為中粗砂巖。

14106綜放工作面為該礦太西采區(qū)4#煤首采工作面，工作面埋深204～244 m，平均埋深224 m. 19106工作面為太西區(qū)9#煤首采工作面，上部為4#煤14106工作面，平均傾角較小為5°，與4#煤相距約38 m. 19106輔運巷采用內(nèi)錯式布置，與上層煤輔運巷相距25 m，工作面布置見圖1. 為滿足礦井安全高產(chǎn)高效的實際需求，在14106工作面回采過程中，19106輔運巷受上方采動應(yīng)力影響及自身掘進(jìn)疊加效應(yīng)，頂?shù)装鍑鷰r破壞變形嚴(yán)重，不得不停止掘進(jìn)，且隨著后續(xù)4#煤工作面的推進(jìn)，下方已掘的輔運巷所受影響依然強烈，據(jù)現(xiàn)場估測，底鼓量達(dá)20 cm，底板裂縫約5 cm.

圖1 19106輔運巷與14106工作面的位置關(guān)系圖

2 應(yīng)力傳遞力學(xué)模型

工作面切眼貫通后開始煤體的回采工作，綜放工作面在上方煤體不斷垮落過程中，基本頂作為承載上方巖層直接載體，承受壓力較大，而后隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，基本頂斷裂形成斷裂拱將巖體載荷傳遞至拱腳兩端，切眼側(cè)實體煤相對破碎，形成了先增高至最大應(yīng)力值后逐漸降低至原巖應(yīng)力值，采空區(qū)在工作面推進(jìn)過后一段時間趨于穩(wěn)定，沿推進(jìn)方向應(yīng)力呈線性增大至原巖應(yīng)力，其支承壓力分布見圖2.

P—垂直原巖應(yīng)力，其值為γH L1—采空區(qū)內(nèi)殘余支承壓力直至恢復(fù)至原巖應(yīng)力的長度 L2—原巖應(yīng)力為零的采空區(qū)長度 S1—工作面煤壁至支承壓力峰值之間的長度 S1—超前支承壓力峰值與回落至原巖應(yīng)力區(qū)之間的長度圖2 工作面前后支承壓力分布圖

將圖2中所示應(yīng)力減去原巖應(yīng)力，得出工作面前后的應(yīng)力增量分布規(guī)律，為簡化計算過程，將不易求解的煤體側(cè)的應(yīng)力增量設(shè)定為三角形，其中x負(fù)方向高度為(k-1)p，簡化后的應(yīng)力增量分布圖見圖3.

圖3 簡化后的工作面附加應(yīng)力分布圖

假定上部煤層開挖后將底板煤巖層看做半平面體，為得到下方煤巖體內(nèi)一點N所受上方煤層應(yīng)力疊加效應(yīng)，根據(jù)彈性力學(xué)中半平面體理論可建立坐標(biāo)系，見圖3，x軸垂直向下，y軸水平向右，坐標(biāo)原點為0點，取微小長度ζ，建立幾何關(guān)系后應(yīng)用到半平面體公式中得出水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力及剪切應(yīng)力的微分方程(1)：

(1)

可以算出3個式子的積分：

(2)

式中：

δx—水平應(yīng)力大小，MPa；

δy—垂直應(yīng)力大小，MPa；

δz—剪切應(yīng)力大小，MPa.

分別對L1、L2、S1和S2四個區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力疊加，即可得出底板巖層不同位置的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和剪切應(yīng)力的分布狀態(tài)，見圖4.

圖4 煤層底板巖層應(yīng)力分布特征圖

經(jīng)matlab計算處理后得出：沿工作面推進(jìn)方向工作面后方采空區(qū)淺部底板垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力主要呈卸壓狀態(tài)，工作面煤壁前方實體煤底板應(yīng)力相對集中，就集中程度而言，水平應(yīng)力要明顯小于垂直應(yīng)力。沿工作面推進(jìn)方向來看，出現(xiàn)應(yīng)力的采空區(qū)下方底板內(nèi)出現(xiàn)剪應(yīng)力，且剪應(yīng)力最大值相比垂直應(yīng)力更大，剪切力主要偏向采空區(qū)側(cè)底板，會嚴(yán)重影響底板采空區(qū)下方的煤巖層的強度，嚴(yán)重時會直接引起底板巖層的破壞。

3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)實際礦井煤巖層分布狀態(tài)建立三維數(shù)值模擬模型，所建立的三維模型采用Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則作為煤巖體材料屈服判據(jù)，其煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1.

對所建三維模型進(jìn)行開挖計算，以得出4#煤14106工作面的開采過程中，9#煤19106輔運巷在掘進(jìn)應(yīng)力及采動應(yīng)力疊加影響下的圍巖承壓狀態(tài)，進(jìn)而運用此變形規(guī)律為后期巷道掘進(jìn)時間及支護(hù)強度提供參考。煤巖層參數(shù)依據(jù)霍克布朗參數(shù)演化得到[3]，采空區(qū)在采后一段時間內(nèi)圍巖應(yīng)力基本穩(wěn)定且呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的物理特性，與double-yield本構(gòu)模型體現(xiàn)的性質(zhì)基本類似[4]. 因此，將采空區(qū)運用此模型填充，僅留下工作面煤壁前方作為支架存放位置，這種模型設(shè)立方法更為科學(xué)。分別對工作面推進(jìn)80 m、120 m、160 m和200 m時巷道圍巖的垂直應(yīng)力進(jìn)行模擬，并在工作面端頭處及19106輔運巷中線做切片分析，見圖5.

表1 煤巖層物理力學(xué)特性參數(shù)表

圖5 不同推進(jìn)程度下輔運巷圍巖垂直應(yīng)力分布狀態(tài)圖

從圖5中不同回采階段的圍巖垂直應(yīng)力分布特征可看出：

1) 工作面煤壁前方及巷道兩側(cè)明顯呈現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤壁前方在超前支撐壓力并在推進(jìn)過程中峰值位置緩慢向煤體傳遞，在推進(jìn)160～200 m峰值位置與端頭距離基本穩(wěn)定，峰值呈現(xiàn)先增高后降低的整體趨勢。在巷道兩側(cè)受側(cè)向支撐壓力作用，端頭側(cè)切面云圖中應(yīng)力峰值及所在位置基本相似。

2) 沿煤層傾向，工作面底板卸壓狀態(tài)明顯影響下方輔運巷原有圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，隨推進(jìn)時間的遷移，受超前支撐壓力影響的巷道范圍逐漸減小，且原有承壓破壞段巷道趨于穩(wěn)定。

3) 沿煤層走向，采空區(qū)底板卸壓基本呈“倒八字”向下傳遞，基本與半平面體理論衍生的應(yīng)力傳遞形式相仿，且隨工作面的不斷推進(jìn)，底板卸壓范圍有明顯的縮減。下方19106輔運巷頂?shù)装逍秹好黠@，幫部相對較弱，如在不合理的支護(hù)形式下極有可能引起圍巖內(nèi)“大小結(jié)構(gòu)”的失穩(wěn)，嚴(yán)重影響巷道穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

1) 依據(jù)煤層走向的煤巖層分布狀態(tài)，建立簡化力學(xué)模型并得出沿工作面推進(jìn)方向工作面后方采空區(qū)淺部底板垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力主要呈卸壓狀態(tài)，水平應(yīng)力相比垂直應(yīng)力要小，沿工作面推進(jìn)方向，采空區(qū)下方底板剪應(yīng)力最大值相比垂直應(yīng)力更大。

2) 建立數(shù)值模型并運用雙曲服模型對采空區(qū)填充，對煤層進(jìn)行分布開挖，模擬綜放工作面在不同推進(jìn)程度下輔運巷的圍巖應(yīng)力演化過程，與傳統(tǒng)的直接將采區(qū)設(shè)置為空模型相比，呈現(xiàn)出動態(tài)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變過程。

3) 得出在工作面不斷推進(jìn)情況下，19106高應(yīng)力巷道頂?shù)装逑啾葞筒繃鷰r完整性更差，承載的應(yīng)力明顯較低，為后期支護(hù)提供了理論基礎(chǔ)；沿煤層走向，采空區(qū)底板卸壓基本呈“倒八字”向下傳遞；沿煤層傾向，工作面底板卸壓狀態(tài)明顯影響到下方輔運巷原有圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，且隨工作面的不斷推進(jìn)，巷道受上方傳遞的超前支撐應(yīng)力影響范圍有所減弱。