丘陵蓋山極近距離煤層開采巷道變形特征與規律研究

于建軍

(山西焦煤 西山煤電集團, 山西 太原 030024)

山西境內多為黃土覆蓋的丘陵高原,地勢東北高西南低,地形起伏較大,河谷縱橫,山多川少,地貌類型復雜多樣,山地、丘陵面積占全省總面積的80.1%. 煤層蓋山厚度(即煤層埋深)的變化影響著采場的應力分布,導致巷道圍巖變形嚴重,支護困難。研究不同蓋山厚度下的采場應力與巷道變形規律,對巷道合理、高效支護有重要意義。楊俊青[1]和周英豪[2]等使用數值模擬軟件分析了不同蓋山厚度巷道兩幫的應力水平、頂板應力峰值差和巷道圍巖塑性區、殘余應力區演化規律,建立了變形預測模型,為巷道的支護設計提供了理論基礎;王延生[3-4]等通過現場監測、理論分析與數值模擬相結合的方法,分析研究了山丘地形下影響工作面來壓的因素;李天龍[5]和李軍[6]等采用UDEC分析了不同埋深、側壓系數和斷面形狀等對巷道圍巖的變形破壞特征,為圍巖的控制提供了理論依據;Aoran Li[7]等采用Flac3 D分析了巷道埋深、巖性等對圍巖穩定性的影響,構建了巷道的變形預測模型;苗彥平[8]和邵衛華[9]等基于現場實測和理論分析研究了不同埋深回采巷道頂板采動應力響應特征,為巷道支護及煤柱寬度留設提供一定參考。前人對不同埋深下單一煤層巷道變形進行了深入研究[10-12],本文針對極近距離雙煤層開采條件下蓋山厚度對巷道變形的影響問題,結合西銘礦北七采區8#煤和9#煤的地質條件,采用3DEC數值模擬軟件分析了49707運輸巷道在不同蓋山厚度下隨工作面開采的變形特征與規律。

1 工程概況

山西焦煤能源集團股份有限公司西銘礦位于山西省太原市,主要開采石炭系煤層。北七采區中,8#、9#煤層埋深211～400 m,8#煤層位于9#煤層上方,兩煤層間距為0.68～4.7 m,平均間距為2.02 m,屬于極近距離煤層。8#煤層厚度為2.23～6.57 m,平均厚度為3.64 m;9#煤厚度為1.9～4.41 m,平均厚度為3.18 m. 8#煤層和9#煤層層間巖層巖性主要為泥質砂巖,易呈塊狀冒落,為二類易冒落型頂板。8#煤層與9#煤層采用長壁垮落法開采,并留設區段煤柱。

圍繞西銘礦上位8#煤層48709工作面、48707工作面和下位9#煤層49709工作面、49707工作面,共計4個近距離工作面開展研究。8#煤層和9#煤層采用下行開采方式,工作面開采順序為:首先依次開采48709和48707工作面,待8#煤層頂板穩定之后,繼續依次開采9#煤層49709和49707工作面,工作面位置關系和推進方向見圖1. 49707運輸巷道的頂板為8#煤層和9#煤層間的夾層,因上部8#煤層開采而破壞嚴重,且存在已垮落巖層與遺留煤柱的疊加應力,巷道圍巖表現為壓力大、變形嚴重、支護困難、維修量大。因此,亟需研究49707運輸巷道在不同蓋山厚度下,隨工作面開采巷道圍巖的變形特征與規律。

圖1 工作面位置關系圖

2 極近距離煤層巷道圍巖數值計算模型構建

以西銘礦北七采區8#煤層和9#煤層的開采情況為工程背景,建立極近距離煤層開采內錯式巷道布置條件下的數值計算模型,對比分析不同蓋山厚度下工作面開采對巷道圍巖變形特征的影響。

1) 模型設計方案。

設計蓋山厚度分別為250 m、300 m和350 m的3種模擬方案(在方案的對比分析時暫不考慮巷道支護強度對圍巖穩定性的影響,蓋山厚度以模型上方施加載荷的形式體現),研究不同蓋山厚度下,8#煤層與49709工作面開采完畢,頂板穩定后,49707工作面開采對49707運輸巷道圍巖的影響,分析工作面前方50 m內的巷道圍巖變形特征與規律。

2) 模型構建。

根據8#、9#煤層所在煤系地層巖石物理力學參數(表1)及煤層賦存條件,建立尺寸為長80 m×寬70 m×高26 m的模型。模型水平方向為x軸,工作面推進方向為y軸,垂直于巖層方向為z軸。根據現場條件,設定模型上表面為自由面,底部邊界施加固定約束,模型四周邊界根據西銘礦地應力測試結果按1.5倍的側壓系數施加漸變的水平應力。煤巖體在其自身所受載荷達到其峰值強度之后會產生一定的塑性變形,故模型塊體和節理均應用摩爾-庫倫準則。

表1 煤巖層物理力學參數表

3) 模型開挖方案。

8#煤層工作面間留設20 m區段煤柱,9#煤層工作面間留設32 m區段煤柱,9#煤層巷道采用內錯布置,錯距為6 m. 8#煤層采高為3.5 m,48709和48707工作面推進長度為70 m,每次推進的長度為10 m,煤層巷道形狀為矩形,尺寸為寬5 m×高3.5 m;9#煤層采高為3 m,49709工作面推進長度為70 m,49707工作面推進長度為50 m,每次推進的長度為10 m,煤層巷道形狀為梯形,尺寸為上寬3.5 m×下寬4.5 m×高3.4 m,模型見圖2.

4) 模型監測方案。

模型設一個固定測站,位于49707工作面前方50 m,監測隨工作面開采巷道變形特征和位移,測站位置見圖3,箭頭方向為工作面推進方向。測站斷面共設20個測點,頂板正上方0.5 m處布置5個水平間距0.875 m的測點,底板正下方0.5 m處布置5個水平間距1.125 m的測點,左幫正左方向0.5 m處布置5個垂直間距0.85 m的測點,右幫正右方向0.5 m處布置5個垂直間距0.85 m的測點。

圖3 測點布置示意圖

3 不同蓋山厚度巷道圍巖變形分析

3.1 巷道圍巖應力分析

按照預定方案開挖模型,研究開挖后模型的應力分布。首先開挖48709工作面、48707工作面,待8#頂板穩定后,繼續開采49709工作面,開挖完成后的模型見圖4.

圖4 開挖后巖層垮落圖

由圖4可以看出,8#煤兩側工作面與49709工作面開采完畢后,在兩層煤柱附近形成了3條主要的巖層斷裂線。2#斷裂線和3#斷裂線由上部8#煤層開采形成,1#斷裂線由下部49709工作面開采形成。對開挖后模型的應力分布進行計算,得到極近距離煤層開挖后巷道圍巖的垂直應力云圖與水平應力云圖,見圖5.

圖5 開挖后模型應力分布云圖

由圖5(a)可以看出,整體模型的垂直應力與埋深呈正相關關系,在斷裂線附近模型的垂直應力存在如下規律:在斷裂線的斜下方一定范圍內,由于與上方巖體分離,該范圍內煤巖體不受上方巖體的重力影響,垂直應力小,屬于低垂直應力區。單一斷裂線(3#)斜下方低垂直應力區范圍大致為斷裂線兩端點的垂直投影線、斷裂線與模型底部三者之間所圍成的梯形區域,見圖5(a)中3#斷裂線下方的低垂直應力區;雙斷裂線(1#、2#)中相對位置靠下的斷裂線(2#)所形成的低垂直應力區與單一斷裂線相似,見圖5(a)中1#斷裂線下方的低垂直應力區。

對比單一斷裂線,雙斷裂線之間同時存在著低垂直應力區和高垂直應力區,見圖5(a)中1#斷裂線與2#斷裂線之間的區域。其中高垂直應力區形成的原因是:由于巖層的斷裂離層,雙斷裂線之間巖體的垂直作用力無法傳遞到1#斷裂線下方的巖體,導致沿著1#斷裂線上方形成條帶狀的應力集中區,即所述的高垂直應力區。

由圖5(b)可以看出,8#煤與9#煤49709工作面開采完畢后,整體模型的水平應力與巖層的彎曲斷裂有著明顯的聯系。巖層向下彎曲斷裂時,部分巖層受到拉應力,與部分原巖壓應力抵消,導致該部分顯示出較小的水平壓應力,甚至出現水平拉應力;部分巖層受到壓應力,與原巖壓應力疊加,導致該部分具有較大的水平壓應力,見圖5(b)中模型頂部區域。

3.2 巷道圍巖變形特征

模擬分析蓋山厚度分別為250 m、300 m和350 m時的巷道圍巖變形情況,根據測點檢測到的巷道圍巖位移數據,利用CAD繪制出不同蓋山厚度和工作面前方不同距離下的巷道斷面變形圖,見圖6. 圖6中,最外圈梯形輪廓為巷道初始斷面,內圈的不規則輪廓為巷道變形后的斷面,巷道初始斷面積為13.6 m2,圖示所標注的數字為巷道變形后的斷面積,百分數為巷道的斷面收縮率(巷道變形面積與初始斷面積的比值)。

圖6 巷道變形斷面圖

結合圖5對圖6進行分析,可以得到如下變形特征及機理:

1) 隨著工作面與巷道監測斷面距離的減小,巷道頂板來壓逐漸增強,斷面收縮率不斷增大。

2) 巷道頂板呈現倒三角形下沉,頂板右側變形量大于左側。由圖5(a)可知,巷道右側位于高垂直應力區,受48707采空區頂板冒落和彎曲下沉的影響大,且右側靠近工作面,受49707工作面開挖擾動大,右側頂板變形嚴重;巷道左側位于3#斷裂線下方的低垂直應力區,受蓋山載荷影響小,且靠近煤柱,受工作面開挖擾動小,變形量小于右側。

3) 在工作面推進至監測斷面時,巷道工作面幫變形量顯著大于巷道煤柱幫,巷道底板基本無變形。由圖5(b)可知,49707運輸巷道工作面幫水平應力高于煤柱幫,受壓嚴重,變形量大。

3.3 巷道圍巖變形規律

根據測點監測到的數據,作出不同蓋山厚度下巷道斷面變化率曲線,見圖7.

將不同蓋山厚度下3條曲線同位置點求和取平均,得到隨工作面推進的巷道斷面平均收縮率。作出巷道斷面平均收縮率變化曲線,并對距離20 m以內的曲線進行擬合,見圖8.

圖8 巷道斷面平均收縮率變化擬合曲線圖

通過圖7和圖8對巷道變形特征進行分析,可以得出以下規律:

1) 巷道斷面收縮率受蓋山厚度影響,隨著蓋山厚度增大,巷道斷面收縮率增加,且增加量減少。蓋山厚度從250 m增加到300 m,工作面推進至監測斷面時巷道斷面收縮率增加了7.9%,巷道收縮率變化較為顯著;蓋山厚度從300 m增加到350 m,工作面推進至監測斷面時巷道斷面收縮率增加了3%,巷道收縮率增加幅度減小。

2) 巷道斷面收縮率受工作面開采的影響,隨著工作面的推進,工作面與監測斷面距離減小,巷道斷面平均收縮率增大。由圖8可知,距離工作面10 m時,巷道斷面平均收縮率較距離20 m時增加了5%;工作面推進至監測斷面時,巷道斷面平均收縮率較距離工作面10 m時增加了12.9%.

4 結 論

1) 隨工作面推進,巷道斷面收縮率逐漸增加,其中巷道頂板和右幫變形量最大,頂板右側變形量大于左側,呈倒三角形下沉,在進行巷道支護工作時尤其需注意加強巷道頂板和右幫的支護強度。

2) 在蓋山厚度250～350 m,隨蓋山厚度增加,巷道斷面收縮率呈增長趨勢,增長量呈減緩趨勢,當蓋山厚度增加時,應提高支護強度。

3) 在距離工作面前方20～40 m時,巷道斷面平均收縮率變化曲線基本保持不變,在距離工作面前方20 m左右,巷道斷面平均收縮率呈指數型快速增加,曲線平均斜率由0增至1.29,巷道斷面在較短推進距離內發生急劇收縮,應及時加強支護,避免發生事故。