不同影响因素下沿空留巷围岩变形规律研究

周 帅

(冀中能源峰峰集团辛安矿,河北 邯郸 056200)

为满足绿色开采和高效利用煤炭资源的要求,提高煤炭采出率,降低煤炭损失,无煤柱沿空筑墙留巷开采工艺逐渐发展为许多矿井安全高效生产的主流[1]。无煤柱开采是通过合理布置巷道和采掘顺序,进而取消区段煤柱的采煤方法。此工艺的主要特点为消除因留设煤柱导致的应力集中现象,将巷道留设于低应力区;有效降低矿井掘进率,缓解采掘交替紧张的局面;提高回采率,降低煤炭损失,降低采空区瓦斯涌出等问题[2-3]。沿空巷道不仅受到上区段采空区顶板侧向压力的扰动,还受到下区段工作面回采的强烈扰动,严重影响巷道围岩的稳定性。因此,研究沿空巷道围岩的变形规律是解决支护困难的关键。

众多研究学者针对沿空巷道围岩形变规律做了大量的研究。孙秋荣[4]通过FLAC3D模拟软件,对构筑不同宽度巷旁墙体时的围岩应力应变进行探讨,确立了合理的围岩控制方案。韩明亮[5]通过3DEC模拟软件模拟回采不同阶段时,沿空巷道围岩的应力和位移演变趋势,总结出应力和位移会随着回采的进行持续增大。吕维赟[6]以具体工作面为分析对象,采用理论分析结合数值模拟的研究方法,分析了切顶卸压沿空留巷的围岩应力应变规律,研究表明新型切顶技术能够有效抑制沿空巷道围岩变形。为探究辛安煤矿沿空留巷围岩变形规律,有针对性地进行沿空巷道围岩控制措施,保障辛安煤矿安全生产,本文基于多种地质影响因素情况下,通过FLAC3D数值模拟软件研究辛安煤矿沿空留巷围岩变形规律。

1 沿空留巷工作面概况及结构特征

1.1 工程地质概况

冀中能源辛安煤矿11212-2工作面煤层均厚4.2 m,平均倾角19°,局部含有1～2层矸石。地面标高+177.9～+215.6 m,工作面标高-466.2～-583.9 m,走向长度853.7～876.7 m,倾向长度83.2～196.3 m。11212-2工作面北部为11212-2煤柱运料巷采空区,西部紧邻设计11210-1煤柱工作面,南部为11212-2煤柱运料通路,东部为11212-2煤柱工作面。煤层老顶为5 m厚的细砂岩,直接顶为3 m厚的粉砂岩,底板为4.9 m厚的粉砂岩,周边地质构造较简单,裂隙不发育。采用堆喷混凝土工艺方法构筑巷旁墙体[7],墙体为上窄下宽的梯行体。留巷工作面位于上区段工作面回风巷处,保留回风巷供下区段工作面运煤巷使用。留巷位置如图1所示。

图1 留巷示意图Fig.1 Gob-side entry retaining diagram

1.2 巷道围岩结构特征及变形机理

煤层开采过后,采空区老顶岩层会在矿山压力作用下发生破断失稳,随着回采的持续进行,这种破断呈现周期性的变化,最终形成弧形三角块结构[8],沿空巷道围岩结构特征与空间结构和覆岩结构运动状况密切关联。留巷覆岩运移机制为直接顶随着工作面回采直接垮落,基本顶由于其自身较坚硬不垮落仅下沉,采空区侧基本顶与采空区矸石接触后停止下沉[9]。随着周期性的断裂下沉,直接顶充分垮落后逐渐被压实,对上覆老顶岩层的下沉起到支撑作用,从而达到平衡状态。平衡状态时基本顶活动停止,留巷围岩结构如图2所示。

图2 留巷结构图Fig.2 Gob-side entry retaining structure

堆喷筑墙沿空留巷期间,工作面回采不久,采空区覆岩活动较剧烈。经受采空区滞后动压影响巷道围岩出现剧烈变形破坏,堆喷后的墙体可以起到主动支护的效果,待采空区活动平稳之后沿空巷道围岩经受动压扰动逐渐减弱,巷旁墙体的支撑力与承载力达到平衡状态,围岩变形破坏逐渐趋于稳定。巷道围岩环境逐渐趋于平衡之后,因前期承受回采扰动,使得围岩物理力学性质减弱,但仍存在顶板压力对其的扰动。在受到顶板持续作用后围岩出现不同程度的收缩变形,岩层间也出现相对离层错动。

1.3 FLAC3D数值模型建立

煤层赋存地质条件不同,采场矿压规律及巷道围岩的变形破坏特征也不同。综采工艺开采条件下,煤层厚度、煤层倾角、埋藏深度等地质赋存条件对沿空留巷围岩的变形规律有重要影响。针对煤层厚度、煤层倾角、埋藏深度等因素,分别建立FLAC3D数值计算模型。岩层采用库伦摩尔模型,巷旁支护体采用双屈服模型,并按照堆喷沿空留巷方法分步开挖巷道、采空区并构筑巷旁支护体实现沿空留巷。

分析与研究煤层厚度、煤层倾角、埋藏深度对沿空留巷围岩变形特征的影响规律。结合辛安矿11212-2工作面的工程背景,设计的数值模型方案见表1,单一因素设置6个水平,共建立18种数值模型。

表1 数值模型设置方案

按照实际顶板岩层柱状图建立的数值模型如图3所示,未考虑的顶板岩层通过在模型顶部施加等效垂直载荷,其中模型的长(X轴)×宽(Y轴)=245 m×120 m,模型高度(Z轴)为56.9～59.4 m。模型中的回采巷道沿煤层顶板布置,回采巷道的长×宽×高=120 m×5 m×3.5 m,沿Y轴模型两侧分别留设了20 m的边界未开挖采空区,沿空留巷的长×宽×高=80 m×4.0 m×3.5 m,沿空留巷巷旁支护体的长×宽×高=80 m×1.0 m×4.0 m(支护体嵌入巷道底板0.5 m)。数值模型中各岩层的物理力学参数设置见表2,不同层位但岩性相同的岩层设置的物理力学参数一致。

图3 数值模型Fig.3 Numerical model

表2 数值模型各岩层物理力学参数

数值模型中工作面开挖以及沿空留巷的过程为:①建立模型,初始应力平衡;②回采巷道开挖,初始应力平衡;③沿Y轴在模型边界留设20 m边界煤柱,然后第一个工作面开挖5 m,同时在采空区边缘设置宽度为1.0 m、高度为4.0 m、长度为5 m的巷旁支护体,应力平衡计算,完成一个循环;④继续开挖第一个工作面5 m,并在已开挖采空区的边缘设置巷旁支护体,应力平衡计算,完成第二个循环;⑤以此类推,共完成16个循环,沿空留巷80 m,沿X轴、Y轴在模型边界各留设20 m的边界煤柱。

计算平衡后沿巷道走向方向,在巷道顶板中线、底板中线及支护体中线位置布置位移测线。

2 不同影响因素下留巷围岩变形分析

2.1 煤层厚度对留巷围岩变形的影响

煤层开采厚度越大,上覆岩层垮落的幅度随之增大,进而导致沿空留巷围岩的变形特征不同。按照图3所示的建模方法分别建立煤层厚度为3.5 m、4.0 m、4.5 m、5.0 m、5.5 m和6.0 m对应的数值模型,分别进行第一个工作面开挖、构筑巷旁墙体沿空留巷等计算,并监测沿巷道走向的顶板中线垂直位移、底板中线垂直位移、煤帮垂直应力和巷旁支护体垂直位移等矿压数据,作为分析沿空留巷矿压特征的指标。不同煤层厚度对应的沿空留巷矿压特征如图4所示。

图4 煤层厚度对留巷围岩变形的影响Fig.4 Influence of coal seam thickness on the surrounding rock deformation of gob-side entry retaining

根据煤层厚度变化对留巷围岩形变量影响的模拟结果可知,巷道围岩变形规律基本一致,但造成的围岩变形量不一致。沿着巷道走向方向长度为120 m,顶板的位移量呈对称分布,模型两侧的位移量较小,中部位移量最大。煤层厚度为3.5m时,顶板位移量峰值为9.3 mm;煤层厚度为6 m时,顶板位移量峰值为10.7 mm。由于模型中的边界效应,导致沿走向方向前后两端的位移量为负值,表现为底板的压缩下沉。中部位移量为正值,表现为底板鼓起。煤层厚度为3.5 m时,模型中部底板的垂直位移量约为0 mm,巷旁支护体的最大垂直位移量为9 mm;当煤层厚度为6 m时,底板的垂直位移量为1 mm,巷旁支护体的最大垂直位移量为11 mm。随着煤层厚度的增加,留巷围岩形变量均呈现增大趋势。造成此种现象的原因是,煤层厚度增加,采空空间加大,上覆顶板垮落幅度加大造成了较剧烈的矿山压力,对围岩造成了强烈的扰动。

2.2 埋深对留巷围岩变形的影响

煤层埋藏深度越大,围岩的地应力水平越高,煤层赋存条件更加复杂多变,造成沿空留巷的矿压显现规律与浅埋深煤层不尽相同。按照图3所示的建模方法分别建立埋藏深度为300 m、400 m、500 m、600 m、700 m和800 m对应的数值模型,分别进行第一个工作面开挖、构筑巷旁墙体沿空留巷等计算,并监测沿巷道走向的顶板中线垂直应力、顶板中线垂直位移、底板中线垂直位移、煤帮垂直应力、巷旁支护体的垂直应力和垂直位移等矿压数据,作为分析沿空留巷矿压特征的指标。不同埋藏深度对应的沿空留巷矿压特征如图5所示。

图5 埋藏深度对留巷围岩变形的影响Fig.5 Influence of burial depth on surrounding rock deformation of gob-side entry retaining

根据埋深对留巷围岩变形量影响的模拟结果可知,围岩变形规律仍保持一致。沿巷道走向方向顶板位移形成位移盆地,且呈现对称分布趋势,模型中部位移量最大,两侧位移量最小。埋深为300 m时,巷道顶板的最大垂直位移量为33 mm,巷道底板的最大垂直位移量为1 mm,巷旁支护体的最大垂直位移量为40 mm;当埋深为800 m时,巷道顶板的最大垂直位移量为313 mm,巷道底板的最大垂直位移量为5.2 mm,支护体的最大垂直位移量为40 mm。随着埋深的增大,留巷围岩形变量均呈现增大趋势。造成此种现象的原因是,埋深越大,巷道围岩所承受地应力越大,使得巷道围岩屈服性增加,导致围岩形变量增大。

2.3 煤层倾角对留巷围岩变形的影响

倾斜长壁工作面开采以后,由于采空区顶板冒落矸石在岩层倾角和自身重力作用下的垮落运动过程具有一定的方向性,造成倾斜煤层沿空巷道围岩的应力环境、矿山压力规律与水平煤层具有不同的分布特点。按照图3所示的建模方法分别建立煤层倾角为0°、5°、10°、15°、20°和25°对应的数值模型,分别进行第一个工作面开挖、构筑巷旁墙体沿空留巷等计算,并监测沿巷道走向的顶板中线垂直应力、顶板中线垂直位移、底板中线垂直位移、煤帮垂直应力、巷旁支护体的垂直应力和垂直位移等矿压数据,作为分析沿空留巷矿压特征的指标。不同煤层倾角对应的沿空留巷矿压特征如图6所示。

图6 煤层倾角对留巷围岩变形的影响Fig.6 Influence of inclination on surrounding rock deformation of gob-side entry retaining

根据煤层倾角变化对留巷围岩位移量的模拟结果可知,不同倾角对留巷围岩变形影响规律基本一致。针对顶板的位移量变化而言,模型中部位移量最大,两侧最小。煤层倾角为0°时,沿空留巷顶板的最大垂直位移量为16 mm,巷道底板垂直位移量为4.3 mm,支护体位移量为226 mm;煤层倾角为25°时,沿空留巷顶板的最大垂直位移量为7 mm,巷道底板垂直位移量2.6 mm,支护体位移量为62 mm。随着煤层倾角增大,留巷围岩位移量逐渐减小。造成这种现象原因是,煤层倾角越大,采空区上部垮落矸石向下部堆积程度越剧烈,进而对上覆老顶岩层垮落起到支撑作用,从而抑制了老顶的垮落,形成了较小的矿山压力,对留巷围岩影响较小。

3 结论

1)沿空留巷围岩变形较大会严重影响矿井安全生产以及制约其技术的发展,围岩变形的主要原因是受上区段采空区侧向支撑压力影响、围岩控制方案的不合理及顶底板岩性。

2)针对辛安煤矿11212工作面沿空留巷工作面具体地质条件,通过FLAC3D数值模拟软件,结合多种不同影响因素,对留巷围岩变形量进行探讨得出:随着埋深和煤层开采厚度的增加,留巷围岩变形量逐渐增大,随着煤层倾角增大,留巷围岩变形量逐渐减小。