采區(qū)煤柱受采動(dòng)影響應(yīng)力及破壞規(guī)律數(shù)值模擬研究

潘 帥

（山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

采區(qū)煤柱是否穩(wěn)定可靠直接關(guān)系到工作面回采巷道的穩(wěn)定性，是影響工作面能否順利將煤采出的關(guān)鍵因素[1]。由于一條采區(qū)煤柱多服務(wù)兩個(gè)回采工作面，受到二次采動(dòng)效應(yīng)的影響，煤柱兩幫會(huì)發(fā)生破壞，巷道變形嚴(yán)重會(huì)影響工作面回采設(shè)備的推進(jìn)[2]，煤柱的片幫則危及工作人員的生命安全。因此，本文對(duì)采區(qū)煤柱受采動(dòng)影響下應(yīng)力及應(yīng)變動(dòng)態(tài)演變規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，有助于更科學(xué)的設(shè)計(jì)煤柱參數(shù)，防止煤柱失穩(wěn)所帶來(lái)的安全事故[3]。

1 礦井概況

經(jīng)坊煤礦11#煤位于為位于太原組中上部，煤層厚0～4.11m，平均1.1m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，層位較穩(wěn)定，埋深為115～127m。本文針對(duì)11#煤層首采工作面3-807綜采工作面寬和3-808綜采工作面煤柱進(jìn)行研究，簡(jiǎn)稱3-807/808煤柱。3-807工作面寬175m，采高為4m，煤柱寬度為45m。頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖；底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、細(xì)砂巖。11#煤及圍巖力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 11#煤及圍巖力學(xué)性質(zhì)表

2 建立模型及模擬方案

本文采用FLAC3D軟件對(duì)采區(qū)煤柱受采動(dòng)影響下應(yīng)力及應(yīng)變動(dòng)態(tài)演變規(guī)律進(jìn)行了研究[4]。根據(jù)經(jīng)坊煤礦地質(zhì)條件建立模型，尺寸110m×300m×80m。工作面沿著Y軸進(jìn)行推采[5]。

本文共設(shè)計(jì)兩種模擬方案。方案一：回采巷道形成后，模擬右側(cè)首采工作面回采。方案二：首采工作面回采結(jié)束后模擬左側(cè)工作面回采。如圖2所示。

圖1 數(shù)值模型

圖2 模擬方案

3 煤柱應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律分析

選擇在100m位置進(jìn)行垂直應(yīng)力和垂直應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。通過(guò)模擬得到單側(cè)及雙側(cè)開(kāi)挖后工作面煤柱的垂直應(yīng)力及塑性變形區(qū)分布特征，分別如圖3、圖4所示。

圖3 煤柱應(yīng)力分布曲線

圖4 煤柱塑性變形區(qū)分布特征圖

通過(guò)觀察圖3可知，工作面巷道形成后，原巖應(yīng)力受到破壞，煤柱兩側(cè)8m區(qū)域內(nèi)形成應(yīng)力升高區(qū)，在煤壁邊緣位置達(dá)到峰值為14 MPa，煤柱6～64m區(qū)域應(yīng)力為12MPa。

隨著煤柱右側(cè)工作面的開(kāi)挖，煤柱右側(cè)應(yīng)力迅速增加，應(yīng)力分布總體呈單峰狀。煤柱右側(cè)4m區(qū)域應(yīng)力升高至27MPa，該區(qū)域由于受右側(cè)工作面開(kāi)采擾動(dòng)已完全破碎，為塑性破壞區(qū)域。在距煤柱邊緣6m位置達(dá)到峰值40MPa，煤柱內(nèi)所受垂直應(yīng)力向左側(cè)依次遞減，在煤柱左側(cè)10m位置降低到最低12.7MPa。

方案一完成后，模擬左側(cè)工作面回采。通過(guò)分析可知：模型開(kāi)挖20m，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力未產(chǎn)生影響；模型開(kāi)挖60m，煤柱受工作面開(kāi)挖影響，左側(cè)應(yīng)力小幅度增加，峰值為17.3MPa；模型開(kāi)挖100 m，工作面開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，煤柱受工作面超前應(yīng)力影響左側(cè)8m區(qū)域應(yīng)力進(jìn)一步升高，峰值為20.7MPa；模型開(kāi)挖140 m，煤柱左側(cè)應(yīng)力急劇增加，峰值達(dá)到34.8MPa，這是由于兩側(cè)工作面煤體的采空導(dǎo)致頂板載荷完全集中于工作面煤柱導(dǎo)致的，此時(shí)煤柱破壞深度進(jìn)一步加深；模型開(kāi)挖140～300 m階段，煤柱左側(cè)應(yīng)力緩慢增加，由于工作面逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)，煤柱受到回采擾動(dòng)的影響逐漸減小，逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)，煤柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置垂直應(yīng)力呈對(duì)稱雙峰狀，峰值應(yīng)力為40MPa，煤柱中間為彈性內(nèi)核區(qū)，應(yīng)力為19.6MPa。

觀察圖4發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)工作面開(kāi)挖后，由于工作面煤體采空，頂板垮落充填采空區(qū)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置頂部圍巖發(fā)生大面積的塑性變形。由于煤柱壓力的傳導(dǎo)，巷道底板圍巖也發(fā)生塑性變形。煤柱在雙側(cè)工作面開(kāi)挖后兩幫塑性變形深度大約6m，中間33m區(qū)域處于彈性狀態(tài)，是煤柱的核心承載區(qū)，兩側(cè)工作面采空后煤柱依然穩(wěn)定。

4 煤柱幫部變形破壞規(guī)律

為了更深入的研究煤柱幫部的變形破壞特征，分別選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)0、4、35 m位置監(jiān)測(cè)圍巖豎向及橫向位移，如圖5所示。

圖5 煤柱幫部圍巖變形破壞規(guī)律

煤柱在工作面開(kāi)挖過(guò)程中，幫部圍巖變形大體可分為四個(gè)過(guò)程：

1）變形緩慢增加（OA段）。工作面推進(jìn)距離為0～80 m，本階段由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離工作面較遠(yuǎn)，受開(kāi)采擾動(dòng)小，在此階段工作面的開(kāi)采距離為，測(cè)點(diǎn)處煤柱受采動(dòng)影響較小，監(jiān)測(cè)圍巖豎向及橫向位移均緩慢增加，0m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移較4、35m監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移增加較快，豎向位移最大達(dá)到13.4mm，橫向位移最大達(dá)到11.3mm。

2）變形急劇增加（AB段）。工作面推進(jìn)距離為80～120 m，由于工作面回采通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，所有煤柱內(nèi)三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向及橫向位移均急速增加，0、4、35 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移的增長(zhǎng)速度依次遞減。0m位置測(cè)點(diǎn)豎向位移達(dá)到50mm，橫向位移達(dá)到71mm。4m位置測(cè)點(diǎn)豎向位移達(dá)到31.6mm，橫向位移達(dá)到51.3mm。35m位置測(cè)點(diǎn)豎向位移為10mm，橫向位移達(dá)到12.3mm。說(shuō)明該階段煤柱在垂直應(yīng)力作用下幫部發(fā)生片幫，并且片幫深度逐漸加深。

3）變形減速（BC段）。工作面推進(jìn)距離為120～240 m，由于工作面逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此本階段監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向及橫向位移增加逐漸減速，煤柱幫部的圍巖片幫情況得到緩解，片幫深度逐漸不再加深。

4）變形穩(wěn)定（CD段）。工作面推進(jìn)距離為240～300 m，煤柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖不再受到工作面開(kāi)采的影響，幫部圍巖到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，豎向及橫向位移均不再增加。

5 結(jié) 論

1）單側(cè)工作面開(kāi)采后煤柱內(nèi)應(yīng)力呈單峰狀分布，煤柱右側(cè)4m區(qū)域內(nèi)為塑性破壞區(qū)，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值位于距煤柱邊緣6m的位置達(dá)到40MPa，煤柱內(nèi)所受垂直應(yīng)力向左側(cè)依次遞減，在煤柱左側(cè)10m位置降低到最低12.7MPa。煤柱右側(cè)基本不受開(kāi)采影響。

2）左側(cè)工作面開(kāi)挖過(guò)程中，煤柱左側(cè)垂直應(yīng)力逐漸增加，最終煤柱內(nèi)應(yīng)力呈對(duì)稱雙峰狀分布，峰值應(yīng)力達(dá)到40MPa，煤柱中間為彈性內(nèi)核區(qū)，應(yīng)力為19.6MPa。

3）雙側(cè)工作面開(kāi)挖后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置頂板、幫部、底板圍巖均發(fā)生塑性變形，其中頂部圍巖大面積垮落。煤柱兩幫塑性變形深度大約6m，中間33m區(qū)域?yàn)槊褐鶑椥詢?nèi)核，兩側(cè)工作面采空后煤柱依然穩(wěn)定。

4）煤柱在工作面開(kāi)挖過(guò)程中，幫部圍巖變形大體可分為四個(gè)過(guò)程。變形緩慢增加、變形急劇增加、變形減速、變形穩(wěn)定。其中工作面推進(jìn)距離為80～120 m，即變形急劇增加（AB段）為煤柱主要變形增加階段，也是煤柱片幫事故的多發(fā)階段。