朱集西礦11-2 煤開采對13501 軌道順槽圍巖穩(wěn)定性影響研究

毛基騰，王 治

（1.皖北煤電集團公司生產(chǎn)技術(shù)部，安徽 宿州 234000；2.皖北煤電集團恒源股份恒源煤礦，安徽 宿州 234099）

開采擾動是導(dǎo)致深部煤巖體發(fā)生變形、失穩(wěn)的根本原因，而開采擾動特征與采動強度和采掘順序密切相關(guān)。深地資源開發(fā)是我國發(fā)展戰(zhàn)略。進入深部開采后，受“四高”環(huán)境影響，采動巷道圍巖承受的應(yīng)力越來越大，巷道周邊巖體出現(xiàn)了明顯的塑粘性變形和破壞，采動影響巷道施工及維護變得更加困難，嚴重影響礦井的安全生產(chǎn)。

由于受到采煤工作面推進引起的加卸載效應(yīng)影響，采動巷道圍巖一般處于非等壓應(yīng)力環(huán)境中，產(chǎn)生形態(tài)不規(guī)則的破壞區(qū)。近年來，眾多學(xué)者圍繞采動影響巷道圍巖破壞機理與控制對策進行了大量研究。吳祥業(yè)等[1]針對雙巷布置工作面留巷受重復(fù)采動影響圍巖變形破壞嚴重等問題，探究了重復(fù)采動巷道塑性區(qū)時空演化規(guī)律及穩(wěn)定控制；呂有廣等[2]開展了不同開采速率下超千米采動應(yīng)力顯現(xiàn)規(guī)律及相應(yīng)特征研究，分析了超千米深部礦井采動應(yīng)力顯現(xiàn)規(guī)律；張明等[3]探討了超深井多煤層擾動下底板巷道變形的時空規(guī)律；賈后省等[4]對采動巷道圍巖進行研究，得出采動空間不同位置圍巖主應(yīng)力大小、比值及方向明顯不同；張俊文[5]對深部大規(guī)模松軟圍巖巷道的破壞分區(qū)進行了理論分析；蔣力帥等[6]基于圍巖應(yīng)力與采空區(qū)壓實承載的耦合作用，研究了垮落帶巖體壓實承載的力學(xué)特征及參數(shù)反演方法。

分析以上文獻得知，采動影響巷道圍巖控制已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，但礦井地質(zhì)條件多變，需針對具體工程條件具體研究。本文以朱集西礦13501 工作面為工程背景，采用數(shù)值模擬研究4 類不同采掘順序下11-2 煤回采引起13501 工作面軌道順槽圍巖塑性區(qū)的變化規(guī)律，為確定合理采掘順序提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 工程概況

朱集西礦13-1 煤13501 工作面設(shè)計為傾斜長壁綜采工作面，走向?qū)?05 m，回采長度1 412 m，13501工作面布置在11-2 煤11051、11502 工作面上方。工作面布置平面圖如圖1 所示。11501 工作面寬216 m、長1 357 m，11502 工作面寬211 m、長1 320 m。11-2 煤與上覆13-1 煤間平均間距73.2 m，11-2 煤厚平均1.50 m，煤巖層平均傾角7°。13-1 煤距11-2 煤層底板平均間距91.4 m，工作面平均煤厚3.86 m，煤層平均傾角5°。13-1 煤直接頂巖性主要為泥巖，泥巖厚0~10.15 m，平均厚度4.68 m，深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)；基本頂主要為粉砂巖，粉砂巖平均厚度7.16 m，灰色，粉砂質(zhì)為主，局部夾細砂巖條帶；直接底的巖性主要為泥巖及炭質(zhì)泥巖，泥巖平均厚度5.16 m，灰色，中厚層狀，炭質(zhì)泥巖厚約0.4 m，灰黑色；老底的巖性主要為泥巖、粉砂巖，泥巖平均厚度8.6 m，裂隙發(fā)育，粉砂巖平均厚度6.6 m，灰色，粉砂質(zhì)為主，局部夾細砂巖條帶，水平層理。13-1煤及上覆綜合柱狀圖如圖2 所示。

圖1 13501 工作面布置平面圖

圖2 13501 工作面覆巖綜合柱狀圖

2 采動影響圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律

采動巷道圍巖塑性區(qū)的擴展是一個動態(tài)演化過程，巷道受采動影響造成塑性區(qū)的擴展是一個動態(tài)演化過程，其過程可從其圍巖塑性區(qū)隨工作面推進發(fā)生改變和工作面推進距離一定、巷道圍巖塑性區(qū)在不同位置產(chǎn)生分區(qū)破壞2 個方面去分析。根據(jù)現(xiàn)場開采順序，采取控制變量的方法，對重復(fù)采動巷道圍巖塑性區(qū)時空演化規(guī)律進行研究。

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)朱集西礦13501 工作面地質(zhì)條件，建立FLAC3D 數(shù)值分析模型。模型沿x 軸正方向依次為煤層邊界、11501 回采工作面、區(qū)段煤柱、11502 回采工作面和煤層邊界，模型中回采工作面長度均取214 m，留設(shè)8 m 小煤柱，煤層邊界各取102 m，模型x 方向?qū)?40 m。工作面沿y 軸正方向推進，模型y 方向長度為900 m，模型沿y 軸正方向?qū)?1502 工作面劃分為16 個塊體，每次回采100 m，模擬11502 工作面分步開挖。模型高度方向即z 方向，長度為150 m。模型網(wǎng)格最大尺寸為8 m，最小網(wǎng)格尺寸為1 m，共計1 260 000 個網(wǎng)格。11-2煤與13-1 煤垂直距離為70 m。模型4 個側(cè)邊設(shè)置位移邊界條件，使水平方向不移動，模型底部設(shè)置固定邊界，模型上邊界施加20.8 MPa 均布荷載，模擬上覆巖層載荷。根據(jù)礦井地質(zhì)資料設(shè)置模型x 向側(cè)壓系數(shù)1.4，y向側(cè)壓系數(shù)0.75?；诿簬r體破壞特征，選取應(yīng)變軟化模型開展相關(guān)模擬。數(shù)值模擬圖如圖3 所示。

圖3 FLAC3D 三維數(shù)值模擬圖

2.2 模擬結(jié)果分析

不同采掘順序下圍巖塑性區(qū)擴展形態(tài)是分析巷道變形機理的基礎(chǔ)，可為合理確定采掘順序提供指導(dǎo)。本文分析了4 類不同采掘順序下13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)。采用平面應(yīng)變模型進行11 煤回采對13501 工作面軌道順槽圍巖穩(wěn)定性影響的分析，針對4類采掘順序進行模擬分析，根據(jù)朱集西煤礦采掘地質(zhì)條件建立模型，模型長度和高度與三維模型相同，不同的厚度方向，由于是平面應(yīng)變條件，所以厚度方向為10 m，模型初始地應(yīng)力及邊界條件與三維模擬相同。

第一類采掘順序為11502 工作面回采結(jié)束后，在11501 工作面停產(chǎn)線煤柱上方掘進13501 軌道順槽。11502 工作面回采結(jié)束后在停產(chǎn)線外側(cè)煤柱上方形成支承壓力區(qū)，11501 工作面回采結(jié)束后同樣在停產(chǎn)線外側(cè)煤柱上方形成支承壓力區(qū)，2 個支承壓力區(qū)對13501 工作面軌道順槽圍巖造成疊加影響。用1.2 倍原巖應(yīng)力進行煤柱上方巷道掘進模擬，13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)分布如圖4 所示。

圖4 13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)示意圖

從圖4 可以看出，13501 軌道順槽開挖后，巷道圍巖周圍存在一定的破碎區(qū)，主要以剪切破壞為主，也有小范圍的拉剪破壞，其中巷道左幫及右?guī)退苄詤^(qū)寬約為4.0 m，底板塑性區(qū)寬約為7 m，頂板塑性區(qū)寬約為5.2 m，塑性區(qū)分布范圍整體呈現(xiàn)出均勻分布的形態(tài)。

第二類采掘順序為11501 工作面回采結(jié)束后，先進行13501 軌道順槽的掘進再進行11502 工作面回采。受11501 工作面回采影響結(jié)束后，13501 軌道順槽接著受到11502 工作面的采動影響。用1.1 倍原巖應(yīng)力進行煤柱上方巷道掘進模擬，13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)分布如圖5 所示。

圖5 13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)示意圖

從圖5 可以看出，13501 軌道順槽周圍有小范圍的拉剪破壞，但大范圍是剪切破壞。13501 軌道順槽巷道頂板塑性區(qū)范圍寬約為4 m，巷道底板塑性區(qū)范圍約3.8 m，巷道左幫右?guī)偷膰鷰r塑性區(qū)寬約為5.3 m。說明13501 軌道順槽受到掘進影響后，再受到11502 工作面采動影響，圍巖塑性區(qū)變形范圍增大，且塑性區(qū)范圍呈不對稱性，偏向11502 工作面一側(cè)塑性區(qū)范圍較大，而另一側(cè)塑性區(qū)范圍減小，采動影響較小。

第三類采掘順序為13501 工作面軌道順槽掘進的同時進行11-2 煤回采，掘進工作面與回采工作面交錯，13501 軌道順槽將受到采動與掘進疊加影響，用1.6 倍原巖應(yīng)力進行煤柱上方巷道掘進模擬，13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)分布如圖6 所示。

圖6 13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)示意圖

從圖6 可以看出，13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)范圍有所增大，13501 軌道順槽巷道頂板塑性區(qū)寬約為4 m，巷道底板塑性區(qū)范圍寬約為3.9 m，巷道兩幫塑性區(qū)范圍約5.3 m，在巷道圍巖表面呈現(xiàn)出拉剪破壞，大范圍塑性區(qū)呈現(xiàn)出剪切破壞。

第四類采掘順序為11-2 煤回采引起的采動影響基本結(jié)束后再掘進13501 軌道順槽。用1 倍原巖應(yīng)力進行煤柱上方巷道掘進模擬，13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)分布如圖7 所示。

圖7 巷道圍巖塑性區(qū)示意圖

從圖7 可以看出，13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)范圍相對于第二類和第三類情況較小，其中13501 軌道順槽頂板塑性區(qū)范圍約3.5 m，巷道底板塑性區(qū)范圍約3.8 m，而巷道兩幫圍巖塑性區(qū)范圍寬約5 m，13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)范圍內(nèi)以剪切破壞為主，在巷道圍巖0.5 m 范圍內(nèi)呈現(xiàn)拉剪破壞。

11-2 煤工作面回采后在工作面兩側(cè)及工作面前方形成支承壓力區(qū)，而位于采空區(qū)上方巖層應(yīng)力降低，不同的采掘順序，13501 軌道順槽圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)各異。綜合數(shù)值模擬結(jié)果，基于圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)，4 類采掘情況下受采動影響巷道圍巖穩(wěn)定性由高到低分別為第四類、第二類、第一類和第三類，即11-2煤回采引起的采動影響基本結(jié)束后再掘進13501 軌道順槽。

3 結(jié)論

11-2 煤工作面回采與上覆13051 軌道順槽采掘順序不同，造成巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)各異?；?3051 軌道順槽圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)，得到第四類采掘順序產(chǎn)生的采動影響最小，即11-2 煤回采引起的采動影響基本結(jié)束后再掘進13501 軌道順槽為最佳采掘順序，為采區(qū)規(guī)劃及生產(chǎn)布局提供指導(dǎo)依據(jù)。