石窟煤礦工作面回采煤柱穩定性分析

宋海龍

(山西煤炭運銷集團三元石窟煤業有限公司,山西長治,047500)

1 引言

采場及圍巖穩定性的研究是煤炭開采安全的基礎課題,國內外學者針對不同煤層賦存及地質條件提出多種假設,其中面對頂底板結構穩定不存在軟弱夾層的情況下組合梁理論應用結果理想。柏建彪[1]等應用UDEC模擬軟件分析研究了不同地質條件下煤柱穩定性與其留設寬度以及支護條件的聯系,并得出支護后的窄煤柱是圍巖受荷體系的重要部分；范軍平等[2]通過數值模擬與理論相結合的方法,揭示了采掘影響下煤柱位移變形規律,在此基礎上分析了支護與煤柱共同作用理論在巷道支護方面的適用性；面對復雜獨特的地質狀況,針對性的研究采掘擾動對采場圍巖穩定性的影響規律不僅可為本礦提供幫助同時對煤礦安全基礎理論研究提供一定的參考。

2 地質狀況

石窟煤礦30106工作面開采煤層屬下二疊統山西組下部的3#煤層,煤層賦存相對穩定,結構簡單,該煤層以塊狀為主,內生裂隙較發育,條痕為黑色,玻璃光澤,參差狀—階梯狀斷口,根據工作面附近的3號鉆孔資料以及兩順槽掘進時探明的情況,煤層厚度5.33 m～6.68 m,平均厚度6.10 m,堅固性系數2～3,整體呈單斜構造,傾向313°,走向N43°E,煤層傾角2°～5°,平均傾角3°。煤層及頂底板地質結構如圖1所示。

圖1 煤層地質柱狀圖

3 煤柱變形破壞機理

煤炭綜采過程中當上工作面采掘完畢后,支架前移后采空區上覆的直接頂垮落基本頂發生破斷,上部載荷轉而由采空區垮落堆積的矸石和煤柱以及未采掘的煤體共同承擔,基本頂沿采空區一側破斷組成懸臂梁結構,上覆載荷轉移到下部煤柱及實體煤中。前一工作面采掘之后,煤柱受到的壓力大部來源于上部的巖層載荷,當工作面推進時,還會受到超前支承壓力的作用。當下一工作面掘進時,開采造起超前工作面一定距離內煤巖體中應力集中,此時,煤柱受到超前支承壓力的影響,應力集中程度較大[3]。因采區上部直接頂基本頂的破壞引起煤柱上覆巖層發生結構性的變化,由于煤炭采出造成原本暫時穩定的基本頂形成的懸臂梁結構發生破斷下沉,該結構的整體穩定性發生變化。煤柱因為超前支承壓力和上覆巖層結構變化,結構的失穩危險指數增大。然而煤柱受到的載荷大小方向及類型主要由其上覆巖層結構決定,采掘影響逐步趨向穩定時,上覆巖體結構保持相對穩定,此時煤柱與巖層接觸部分的性質和支護條件對煤柱在荷載影響下的變形影響巨大。

前一個工作面采過后,由于采掘擾動使采場上部巖層出現應力重新分布的情況,工作面前方的一定范圍內煤巖體以及和采空區鄰近的煤巖體中出現應力集中,臨采空區一側的煤柱在水平方向支承力的作用下,發生塑性變形及破壞,支承壓力對煤體深部產生作用,持續至支承壓力最大值和煤柱極限強度達到平衡,同時,煤柱靠近下一工作面回采巷道一側由于巷道掘進使煤柱邊緣發生塑性變形和破壞,在下工作面開采過程中,煤柱受到超前支承壓力的影響,所承載的載荷增大,煤柱被塑性區貫通穩定性不斷下降[4]。

圖2 煤柱變形破壞示意圖

如圖2所示,因煤層頂底板巖層層理均勻,性狀穩定煤柱與頂底板接觸不受軟弱層影響,同時該礦巷道應用錨桿錨索及金屬網支護,煤柱兩邊皆受到側向力的約束,這樣符合理論中發生塑性流動破壞的情況。

4 數值模擬分析

應用FLAC3D5.0有限差分模擬軟件進行數值分析,以石窟煤礦30106 工作面進行建模,其中模型總體尺寸為長×寬×高=50 m×50 m×50 m,共生成345 000個單元。其中模型中各個巖層力學參數具體如表1所示,模擬中將模型底邊界固定,同時限制側邊界的側向位移,在模型頂部施加實際地質情況等效的均布荷載,模型經過初始平衡后進行運算。

表1 巖層力學參數表

對比回采過程中工作面超前部分煤柱塑性區的變化,如圖3所示,隨著超前距離的不斷縮小煤柱塑性區擴大,即煤柱塑性破壞程度加重,表現為從30m 到0m塑性區域增大且沿頂板與煤柱接觸面開始,并且逐漸向底板延伸發展成為塑性貫通區,這一現象造成煤柱向兩側變形,這與理論分析一致。

圖3 開采造成工作面煤柱塑性區分布圖

如圖4 所示,隨著煤柱寬度的增加煤柱中鉛垂應力不斷減小,但是根據應力云圖顯示應力整體分布情況始終保持馬鞍形即應力核區仍然與極限承載區域重合,其中應力最大值集中于煤柱中心部位。

圖4 煤柱不同高度應力對比云圖

圖5 頂板接觸面煤柱應力值

如圖5 所示,煤柱應力從邊到中心不斷增大經過應力核區后向另一邊界逐漸減小,其中最大值為42 MPa,隨著觀測位置的下降極限承載區不斷擴大。

通過應用實際支護參數進行模擬得出,工作面推進后煤柱向兩側的變形量如圖3 所示,煤柱塑性變形量與距煤柱中心距離相關,距離中心越近側向塑性變形量越大,且表現為兩側向相反方向發生位移,煤柱中心變形幾乎為零,此時煤柱中心豎向應力值最小,如圖4所示,煤柱應力分布呈現均勻的年輪形,核心承載區寬度合理表示煤柱在工作面回采過程中雖然會發生一定量的塑性變形,但是其整體穩定性好。

圖6 煤柱側向變形量曲線圖

5 結論

(1)通過理論分析與數值模擬分析確定了適用的煤柱塑性變形規律,可以為支護方式的選取提供理論依據及支護監測重點。

(2)在回采過程中,當煤柱與頂底板接觸面不存在軟弱夾層的影響時,煤柱發生塑性流動式破壞為主,且隨著工作面推進煤柱逐漸由頂面向底面發生延伸式的塑性破壞,破壞區域不斷擴大。

(3)煤柱塑性變形量表現為兩側最大,距離煤柱中心越近其變形量越小,此時煤柱中心豎直向應力最大,煤柱整體穩定性較好,隨著煤柱寬度的增加煤柱中鉛垂應力不斷減小,應力核區的增大使得煤柱更加穩定,但煤柱應力曲線整體仍然呈馬鞍形變化。