下伏工作面回采条件下上方巷道围岩变形规律研究

房丰洋　郝庆利　杨永刚

内蒙古煤矿安全监察局　呼和浩特　010010

下伏工作面回采条件下上方巷道围岩变形规律研究

房丰洋郝庆利杨永刚

内蒙古煤矿安全监察局呼和浩特010010

矿井下伏工作面的回采，不可避免地给上部正在使用中的巷道带来剧烈影响。以某矿六一煤柱和其上部的边界煤柱为研究对象，采用FLAC3D数值模拟和现场实测等手段，研究分析了工作面采空区顶板岩层及巷道内部变形及应力分布规律，为矿区今后在类似条件下的下部工作面设计、巷道加固等提供了重要的基础数据和有益的经验。

煤柱围岩变形弯曲下沉带岩移规律

引言

随着矿井服务年限增加，国内部分矿井相继进入了报废期，可采煤炭资源日趋枯竭。为最大限度地提高资源回收率，提高矿井服务年限，各矿区对上下山煤柱、阶段煤柱以及边界煤柱等的回采力度逐渐加大。而各类煤柱的回采不可避免地给附近巷道带来剧烈的采动影响，给巷道围岩变形及稳定性控制带来困难［1-3］。某矿回风石门处于六一煤柱回采工作面之上，工作面与巷道垂距70余米，巷道整体处于采区弯曲下沉带内，属于典型的动压巷道，受下部煤柱回采影响，导致顶板岩层产生强烈拉张破坏，在上覆岩层中产生纵横向裂隙，岩体已经发生离层、断裂甚至冒落，巷道除将出现整体下沉外，还将导致在巷道周边出现拉应力，同时巷道围岩的离层破坏给锚梁网支护带来困难，锚杆锚索失去了稳定的着力点，内锚强度被极大地削弱，导致巷道变形将极为剧烈［4-5］。目前，国内关于动压巷道支护理论与技术的研究主要反映在采区巷道，对于下覆煤层开采对上部巷道影响方面的研究较少［6-8］。因此进一步研究下伏煤层回采条件下上部巷道变形规律，对下部工作面设计、煤柱留设、类似巷道的加固等具有重要的意义。

1.工程概况

某矿于上世纪七十年代建井，经过四十余年的地下开采，煤炭资源已枯竭，边界煤柱、上下山煤柱等遗留资源的开采已经成为该矿生产的常态。该矿南二采区回风石门位于待回采的六一煤柱上方约70m，斜跨六一煤柱，水平上回风石门距开切眼20m～40m，位于工作面正上方，普通锚梁网支护。该巷道位于浅灰色铝土页岩层位，岩体致密且脆，中部为高岭土矿化层，岩层厚度5.13m；顶板为9.3m块状页岩，致密且脆含鲕子，部分含碳质页岩，再其上为五煤，层厚3.17m；底板为5.7m砂质页岩，含少量鲕子；再其下为灰绿色——灰色细砂岩，波状层理明显。

六一煤柱为六一采区上山煤柱，工作面面长100m，走向长度200m，埋深134.6m～181m，根据相邻工作面回采观测结果，六层煤初次来压步距一般为20m～25m，周期来压步距为12m～15m，该煤柱四周为6煤的采空区。工作面走向长度总计295m，宽度100m，煤层厚度平均3.1m，倾角约15°。回风石门与六一煤柱工作面空间位置关系见图1。

图1　回风石门与六一煤柱空间位移关系

图2　网格划分

2.数值计算与分析

（1）数值模型的建立

根据开采条件及影响范围，计算范围确定为：上边界为地表，下边界为6煤底板45m处，六一煤柱工作面各留100m边界，模型体积：X向400m，Y向300m，Z向300m。X轴：六一煤柱水平走向，开采方向为正；Z轴：垂直地面，向上为正；Y轴：水平方向，与X、Z轴垂直，满足右手法则。采用摩尔库伦准则，大应变模式。采用ANSYS软件建模，FLAC3D计算，模型由248，772个单元和54，382个节点组成，如图1、图2所示。

（2）岩层力学参数的选取

表3　-1岩层物理力学参数

为了真实地模拟实际回采过程中已冒落矸石的支撑作用，综合考虑采空区冒落矸石的物理力学特性及其变化规律的已有研究成果，结合类似矿区的岩层情况与相似材料模拟试验结果，在计算中取采空区冒落矸石的物理力学参数见下表所示。计算中动态改变局部材料特性，逐步提高采空区矸石的物理力学参数。

表3　-2采空区冒落矸石的物理力学参数

（3）计算结果分析

为观测回风石门在六一煤柱工作面回采期间巷道围岩变形运移特征以及应力分布特征，在回风石门左帮3m位置设立观测线，水平上与腰线平行，10m一个监测点。

图3（a）为六一煤柱回采期间回风石门巷道围岩垂直位移分布规律曲线。从图中可见，下部六一煤柱回采期间，巷道表现为整体下沉，并且随着采面的推进表现出位移增大的趋势，沿巷道走向由中心向两侧逐渐减小，最大值出现在六一煤柱正上方，并随着工作面推进最大值变化速度趋缓。当工作面推进20m时，巷道基本未发生明显下沉；工作面推进80m时，巷道最大下沉量约为160mm；工作面推进160m时，巷道最大下沉量约为340mm。

图3　随工作面回采巷道围岩垂直应力位移分布规律

图3（b）为巷道围岩随工作面回采垂直应力变化规律曲线。由图可见，随工作面回采，六一煤柱上方岩体出现应力降低现象，应力得到卸载，最小值出现在六一煤柱正上方。工作面回采20m时，最小垂直应力为2.6MPa，较原岩应力降低约1.31倍；工作面回采80m时，最小垂直应力为1.99MPa，较原岩应力降低约1.71倍；工作面回采140m、160m直至回采结束最小垂直应力均为1.56MPa左右，应力较原岩应力降低约2.18倍。

3.现场实测

测站布置

回风石门内共布置了9个测站，具体见图4所示。其中1～3#测站布置在回风大巷内，4～7#测站布置在回风石门内，8～9#测站布置在回风斜巷内。从观测结果看，布置在回风大巷和回风斜巷内的1#、2#、3#、8#、9#测站巷道表面位移量仅为20mm～30mm左右，受采动影响不大。影响较为明显的是布置在回风石门内的4～7#测站，限于篇幅，以变形最为明显的5#测站为例进行分析，见图5所示。

图4　工作面推进距离与测站布置示意

图5（a）为不同测站巷道表面位移观测曲线。由图可见，由于回风石门斜跨下部六一煤柱工作面，巷道变形从两侧向中部逐渐增大，位于中部的5#测站两帮变形最为明显，这与数值计算结果一致。结合图5（b）可见，5#测站两帮收敛达594mm，同时表现为底板下沉，巷帮出现明显的拉裂隙，顶底板距离拉大，最大达113mm，当工作面推进至37m时，正好位于5#测站正下方，巷道两帮及顶底板变形急剧增大，工作面推进至96m后，即滞后工作面60m后巷道变形逐渐趋于稳定，两帮裂隙宽度有减小的趋势，顶底板移近量回缩。

4.结论

（1）运用FLAC3D程序模拟了六一煤柱回采期间煤柱上覆岩层的移动，揭示了顶板岩层在空间上的移动规律：上部的回风石门表现为整体下沉，最大值出现在六一煤柱正上方，最大下沉量约为340mm；应力分布规律：六一煤柱回采上方岩体出现应力降低现象，最小值出现在六一煤柱正上方，应力较原岩应力降低约2.18倍。

（2）根据现场实测，分析了回风石门空间变形特征：从煤柱两侧向中部巷道变形逐渐增大，位于煤柱上方中部巷道变形最为明显。巷帮出现明显的拉裂隙，出现巷道高度反而增大的现象，滞后工作面60m后顶底板移近量回缩。

（3）上述研究成果丰富了本矿的岩层移动观测资料，为矿区今后在类似条件下的下部工作面设计、煤柱留设、类似巷道的加固等提供了重要的基础数据和有益的经验。

图5　回风石门内测站布置示意

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