下伏工作面回采條件下上方巷道圍巖變形規律研究

房豐洋　郝慶利　楊永剛

內蒙古煤礦安全監察局　呼和浩特　010010

下伏工作面回采條件下上方巷道圍巖變形規律研究

房豐洋郝慶利楊永剛

內蒙古煤礦安全監察局呼和浩特010010

礦井下伏工作面的回采，不可避免地給上部正在使用中的巷道帶來劇烈影響。以某礦六一煤柱和其上部的邊界煤柱為研究對象，采用FLAC3D數值模擬和現場實測等手段，研究分析了工作面采空區頂板巖層及巷道內部變形及應力分布規律，為礦區今后在類似條件下的下部工作面設計、巷道加固等提供了重要的基礎數據和有益的經驗。

煤柱圍巖變形彎曲下沉帶巖移規律

引言

隨著礦井服務年限增加，國內部分礦井相繼進入了報廢期，可采煤炭資源日趨枯竭。為最大限度地提高資源回收率，提高礦井服務年限，各礦區對上下山煤柱、階段煤柱以及邊界煤柱等的回采力度逐漸加大。而各類煤柱的回采不可避免地給附近巷道帶來劇烈的采動影響，給巷道圍巖變形及穩定性控制帶來困難［1-3］。某礦回風石門處于六一煤柱回采工作面之上，工作面與巷道垂距70余米，巷道整體處于采區彎曲下沉帶內，屬于典型的動壓巷道，受下部煤柱回采影響，導致頂板巖層產生強烈拉張破壞，在上覆巖層中產生縱橫向裂隙，巖體已經發生離層、斷裂甚至冒落，巷道除將出現整體下沉外，還將導致在巷道周邊出現拉應力，同時巷道圍巖的離層破壞給錨梁網支護帶來困難，錨桿錨索失去了穩定的著力點，內錨強度被極大地削弱，導致巷道變形將極為劇烈［4-5］。目前，國內關于動壓巷道支護理論與技術的研究主要反映在采區巷道，對于下覆煤層開采對上部巷道影響方面的研究較少［6-8］。因此進一步研究下伏煤層回采條件下上部巷道變形規律，對下部工作面設計、煤柱留設、類似巷道的加固等具有重要的意義。

1.工程概況

某礦于上世紀七十年代建井，經過四十余年的地下開采，煤炭資源已枯竭，邊界煤柱、上下山煤柱等遺留資源的開采已經成為該礦生產的常態。該礦南二采區回風石門位于待回采的六一煤柱上方約70m，斜跨六一煤柱，水平上回風石門距開切眼20m～40m，位于工作面正上方，普通錨梁網支護。該巷道位于淺灰色鋁土頁巖層位，巖體致密且脆，中部為高嶺土礦化層，巖層厚度5.13m；頂板為9.3m塊狀頁巖，致密且脆含鮞子，部分含碳質頁巖，再其上為五煤，層厚3.17m；底板為5.7m砂質頁巖，含少量鮞子；再其下為灰綠色——灰色細砂巖，波狀層理明顯。

六一煤柱為六一采區上山煤柱，工作面面長100m，走向長度200m，埋深134.6m～181m，根據相鄰工作面回采觀測結果，六層煤初次來壓步距一般為20m～25m，周期來壓步距為12m～15m，該煤柱四周為6煤的采空區。工作面走向長度總計295m，寬度100m，煤層厚度平均3.1m，傾角約15°。回風石門與六一煤柱工作面空間位置關系見圖1。

圖1　回風石門與六一煤柱空間位移關系

圖2　網格劃分

2.數值計算與分析

（1）數值模型的建立

根據開采條件及影響范圍，計算范圍確定為：上邊界為地表，下邊界為6煤底板45m處，六一煤柱工作面各留100m邊界，模型體積：X向400m，Y向300m，Z向300m。X軸：六一煤柱水平走向，開采方向為正；Z軸：垂直地面，向上為正；Y軸：水平方向，與X、Z軸垂直，滿足右手法則。采用摩爾庫倫準則，大應變模式。采用ANSYS軟件建模，FLAC3D計算，模型由248，772個單元和54，382個節點組成，如圖1、圖2所示。

（2）巖層力學參數的選取

表3　-1巖層物理力學參數

為了真實地模擬實際回采過程中已冒落矸石的支撐作用，綜合考慮采空區冒落矸石的物理力學特性及其變化規律的已有研究成果，結合類似礦區的巖層情況與相似材料模擬試驗結果，在計算中取采空區冒落矸石的物理力學參數見下表所示。計算中動態改變局部材料特性，逐步提高采空區矸石的物理力學參數。

表3　-2采空區冒落矸石的物理力學參數

（3）計算結果分析

為觀測回風石門在六一煤柱工作面回采期間巷道圍巖變形運移特征以及應力分布特征，在回風石門左幫3m位置設立觀測線，水平上與腰線平行，10m一個監測點。

圖3（a）為六一煤柱回采期間回風石門巷道圍巖垂直位移分布規律曲線。從圖中可見，下部六一煤柱回采期間，巷道表現為整體下沉，并且隨著采面的推進表現出位移增大的趨勢，沿巷道走向由中心向兩側逐漸減小，最大值出現在六一煤柱正上方，并隨著工作面推進最大值變化速度趨緩。當工作面推進20m時，巷道基本未發生明顯下沉；工作面推進80m時，巷道最大下沉量約為160mm；工作面推進160m時，巷道最大下沉量約為340mm。

圖3　隨工作面回采巷道圍巖垂直應力位移分布規律

圖3（b）為巷道圍巖隨工作面回采垂直應力變化規律曲線。由圖可見，隨工作面回采，六一煤柱上方巖體出現應力降低現象，應力得到卸載，最小值出現在六一煤柱正上方。工作面回采20m時，最小垂直應力為2.6MPa，較原巖應力降低約1.31倍；工作面回采80m時，最小垂直應力為1.99MPa，較原巖應力降低約1.71倍；工作面回采140m、160m直至回采結束最小垂直應力均為1.56MPa左右，應力較原巖應力降低約2.18倍。

3.現場實測

測站布置

回風石門內共布置了9個測站，具體見圖4所示。其中1～3#測站布置在回風大巷內，4～7#測站布置在回風石門內，8～9#測站布置在回風斜巷內。從觀測結果看，布置在回風大巷和回風斜巷內的1#、2#、3#、8#、9#測站巷道表面位移量僅為20mm～30mm左右，受采動影響不大。影響較為明顯的是布置在回風石門內的4～7#測站，限于篇幅，以變形最為明顯的5#測站為例進行分析，見圖5所示。

圖4　工作面推進距離與測站布置示意

圖5（a）為不同測站巷道表面位移觀測曲線。由圖可見，由于回風石門斜跨下部六一煤柱工作面，巷道變形從兩側向中部逐漸增大，位于中部的5#測站兩幫變形最為明顯，這與數值計算結果一致。結合圖5（b）可見，5#測站兩幫收斂達594mm，同時表現為底板下沉，巷幫出現明顯的拉裂隙，頂底板距離拉大，最大達113mm，當工作面推進至37m時，正好位于5#測站正下方，巷道兩幫及頂底板變形急劇增大，工作面推進至96m后，即滯后工作面60m后巷道變形逐漸趨于穩定，兩幫裂隙寬度有減小的趨勢，頂底板移近量回縮。

4.結論

（1）運用FLAC3D程序模擬了六一煤柱回采期間煤柱上覆巖層的移動，揭示了頂板巖層在空間上的移動規律：上部的回風石門表現為整體下沉，最大值出現在六一煤柱正上方，最大下沉量約為340mm；應力分布規律：六一煤柱回采上方巖體出現應力降低現象，最小值出現在六一煤柱正上方，應力較原巖應力降低約2.18倍。

（2）根據現場實測，分析了回風石門空間變形特征：從煤柱兩側向中部巷道變形逐漸增大，位于煤柱上方中部巷道變形最為明顯。巷幫出現明顯的拉裂隙，出現巷道高度反而增大的現象，滯后工作面60m后頂底板移近量回縮。

（3）上述研究成果豐富了本礦的巖層移動觀測資料，為礦區今后在類似條件下的下部工作面設計、煤柱留設、類似巷道的加固等提供了重要的基礎數據和有益的經驗。

圖5　回風石門內測站布置示意

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