多次采动影响下巷道围岩稳定性数值模拟研究

袁学林

(淮北矿业集团芦岭煤矿)

多次采动影响下巷道围岩稳定性数值模拟研究

袁学林①

(淮北矿业集团芦岭煤矿)

采用数值模拟方法,分析了芦岭煤矿上部工作面多次采动对底板巷道围岩稳定性影响,包括上部8#煤、9#煤工作面重复采动影响下的围岩应力分布规律,研究了轨道上山在采空区下方、停采线下方及煤柱下方的围岩应力分布情况及巷道变形特征,计算结果与现场实际观测一致。对于预测巷道的变形和破坏具有指导意义。

动压巷道;多次采动;底板巷道;围岩稳定

淮北矿业集团芦岭煤矿属煤与瓦斯突出矿井,主采8#煤、9#煤层,煤层自燃发火期较短,目前,该矿二水平开采深度590 m。为减小煤与瓦斯突出的危险性,该矿采用开掘底板岩石集中巷并预抽上部煤层瓦斯的方法,准备巷道基本上布置在距煤层30 m左右的底板岩层中,同时为防止留设的保护煤柱自燃发火,工作面巷道采用完全沿空掘巷并跨上山开采,8#煤、9#煤层平均厚度分别为10 m、2～3 m,8#煤与9#煤层间距为3.2 m。

针对8#煤、9#煤层瓦斯含量高,易自燃且具有突出危险,及两层煤间距较小的特点,采用联合布置的方法,回采工艺为:先在8#煤顶部开采2～3 m左右的顶分层,紧接着下部8#煤层采用放顶煤开采,最后开采9#煤,工作面回采巷道布置采用内错式。

采用该采煤方法后使得底板巷道在同一区段需经受至少3次上部工作面采动影响,而且巷道允许修复周期很短,相应的维护难度极大。为此,该矿井投入了大量的人力物力,但即使这样,由于巷道失修率高、巷道失修频繁,巷道维护状况仍难以维持矿井的安全高效生产[1-3]。针对多次采动对巷道的重复影响进行了研究,分析了重复采动影响破坏规律。

1 数值模拟模型

采用数值模拟方法,对上部工作面多次采动对底板巷道围岩稳定性影响进行详细分析,包括上部8#、9#煤工作面重复采动影响下的围岩应力分布规律,尤其是轨道上山在采空区下方、停采线下方及煤柱下方的围岩应力分布情况及巷道变形特征。

根据现有地质采矿条件和数值模拟研究的重点,为最大限度地降低边界效应对模拟结果的影响,基于岩层控制的关键层理论和开采沉陷理论,模型的左右边界根据岩层开采引起的岩层移动角规律确定,即模型左、右边界范围分别按岩层走向充分采动角和走向岩层移动角影响范围以外。当模型中存在关键层时,应将模型的上边界取至关键层以上,且达到充分采动[4-5]。

综合考虑各方面因素,数值模拟模型尺寸(长×高)为:250 m×150 m。数值模拟模型划分成250× 150共37 500个单元,见图1,图2。采用数值模拟采矿问题时,一般模型水平方向及底边界,边界条件为位移边界,模型顶边界可以为应力边界或无边界条件限制。本模型水平边界为固定边界,上边界为应力边界,受模型计算容量所限,在模型的顶部加9.8 MPa的等效载荷,相当于约500 m厚的上覆岩层。模型计算采用莫尔—库仑屈服准则。根据模型的几何尺寸划分,给相应层位岩体赋予煤岩物理力学参数,见表1。

表1岩层力学参数

图1 数值分析模型

在图1中,1、2、3位置分别对应为底板巷道中心线,其中上部工作面停采线位置为2,停采线距离模型边界50 m,上部工作面推进长度为180 m。数值模拟分析流程为:建立初始模型→初始化应力场→原岩应力平衡→开挖巷道→开采8#煤顶分层→开采8#煤底分层→开采9#煤→模拟结束。

2 计算结果

1)巷道位于采空区下方。围岩垂直应力分布见

图2 FLAC模型示意图

针对轨道上山的实际地质采矿条件,本文着重分析轨道上山位于采空区下方、停采线下方、煤柱下方三种情况下围岩应力分布及巷道变形特征,为简化起见,建立二维模拟模型,将三段巷道抽象为位于对应位置的单个巷道断面,并在巷道顶板设置监测线。图3,当巷道位于采空区下方时,由于巷道处于低应力区且距8#煤顶分层工作面垂直距离约43 m,虽然巷道受工作面跨采引起的超前支承压力作用,但跨采结束后,巷道周边应力水平逐渐过渡至巷道掘进时的应力水平。8#煤底分层、9#煤工作面开采结束后,见图4,此时巷道完全处于卸压区,虽然煤柱内集中应力较高,但对底板巷道应力水平影响较小,巷道顶板垂直应力在9#煤开采后又有所降低,围岩变形趋于稳定。

图3 巷道位于采空区下方时垂直应力示意图

巷道处于不同位置时,顶板a-a监测线上的垂直应力见图4,巷道位于采空区下方时,8#煤顶分层开采结束后巷道上方顶板监测线垂直应力值约1 MPa,而8#煤顶分层开采后该处应力值提高至2.5 MPa左右,主要与8#煤开采后巷道上方采空区逐渐压实,导致应力水平有所增高。9#煤开采后该处应力值有所降低,达到1.5 MPa左右,9#煤的开采使得巷道完全处于卸压区。

图4 巷道位于采空区下方时顶板垂直应力示意图

当巷道位于煤柱下方时,见图5,8#煤顶分层开采结束后,巷道变形以煤柱侧帮部内移为主,伴一定底臌,随着相对较厚的8#煤底分层的开采,在叠加支承压力作用下,巷道右帮强烈内移,同时造成底板强烈臌起。8#煤开采结束后,底板巷道的变形趋于稳定,见图5,9#煤开采过程中巷道变形较稳定。由此可见,巷道底臌主要是在高集中应力作用下底板岩层遭受强烈挤压引起的。

图5 底板巷道位于煤柱下方巷道变形量与位移场示意图

2)巷道位于停采线下方。围岩垂直应力分布见图6,8#煤顶分层开采后,由于距停采线20 m范围煤柱内形成的高集中应力作用,巷道围岩整体应力水平相对巷道位于采空区下方时有大幅升高。见图7(a)所示,尽管巷道左帮存在受工作面开采后顶板形成的三角块结构保护的低应力区,但由于受工作面超前支承压力和煤柱内侧向支承压力叠加影响,应力水平整体偏高,同样随着8#煤底分层和9#煤工作面的开采煤柱内应力集中程度更高,导致围岩应力水平持续增高。

巷道位于停采线下方时,见图7。8#煤顶分层开采结束后巷道上方顶板监测线垂直应力值约4 MPa,而8#煤顶分层开采后该处应力值提高至6 MPa左右,主要与8#煤开采后巷道上方采空区逐渐压实,导致应力水平有所增高。9#煤开采后该处应力值有所降低,达到4 MPa左右,显然此处应力水平相对采空区下方有大幅提高。

当巷道位于停采线下方时,见图8,巷道变形以右帮强烈内移为主,并且底臌强烈,但与巷道位于煤柱下方相比,巷道变形量相对较小。

3)巷道位于煤柱下方。围岩垂直应力分布见图9,由于巷道基本处于支承压力峰值区正下方,此时巷道围岩应力的主要影响因素是上部工作面开采后煤柱内形成的叠加支承压力,而工作面开采的动压影响相对采空区下方和停采线下方位置时相对较小,但应力水平却高于上述位置。见图10,8#煤顶分层开采后,虽然煤柱内已形成较高的支承压力,但一方面由于初次采动形成的支承压力峰值较小,另一方面距离巷道上部工作面垂直距离较远,应力水平增高幅度较小,然而随着8#煤底分层和9#煤工作面的开采,煤柱内支承压力叠加程度更高,尤其两帮应力集中区应力增高明显。而当巷道位于煤柱下方时,见图10,相同巷道顶板垂直应力提高值10 MPa以上,应力水平最高。

图11 底板巷道位于采空区下方巷道变形量示意图

当巷道位于采空区下方时,见图11,巷道变形特征以帮部变形为主,伴有一定底臌,但与巷道位于停采线下方及煤柱下方时不同之处在于巷道所处的位移场方向。在该位移场作用下,巷道右帮及拱部容易发生较大的变形。

3 结 论

芦岭煤矿主采8#煤、9#煤层,为减小煤与瓦斯突出的危险性,采用开掘底板岩石集中巷并预抽上部煤层瓦斯的方法,采用的采煤方法后使得底板巷道在同一区段需经受至少3次上部工作面采动影响,巷道维护难度极大。本文针对多次采动影响对巷道的重复影响进行了数值分析研究,分别研究了巷道位于采空区下方、停采线下方和煤柱下方垂直应力及巷道变形量关系,对于预测巷道的变形和破坏具有指导意义。

[1] 翟新献.放顶煤工作面顶板岩层移动相似模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(11):1667-1671.

[2] 颜立新,赵军.多次动压影响巷道支护技术及护巷煤柱留设[J].煤矿开采,2009,14(1):60-63.

[3] 苏士龙,梁军起,靖洪文.多次采动煤巷围岩稳定控制原理及应用[J].矿业研究与开发,2008,28(3):11-13.

[4] 高明中.急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验[J].岩石力学与工程学报,2004,23(3):441-445.

[5] 高明中,余忠林.厚冲积层急倾斜煤层群开采重复采动下的开采沉陷[J].煤炭学报,2007,32(4):347-352.

Study on Stability of Roadway Surrounding Rock Influenced by Repeated Mining by Numerical Simulation

Yuan Xue-lin

There are some roadways of Luling coal mine was influenced by repeated mining of top 8#coal seam and 9#coal seam.In the paper,the stability of the roadways including a entry rise under the goaf,terminal line and coal pillar,and stress distributions and deformation of them was analyzed in detail by means of numerical simulation.Results of the calculation are concordant with in-situ measurement.

Dynamic pressure roadway;Multiple mining activites;Floor roadway;Stability of surrounding rock

book=5,ebook=162

TD322

B

1672-0652(2010)05-0011-05

2010-03-19

袁学林 男 1983年出生 2005年毕业于安徽理工大学 助理工程师 宿州 234113