基本顶岩层断裂位置对沿空掘巷影响分析

王　帅， 桂　兵 ，王红红，吴修光， 刘　浩

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.兖州煤业股份有限公司 济宁三号井煤矿，山东 济宁 272169 )

基本顶岩层断裂位置对沿空掘巷影响分析

王帅1， 桂兵2，王红红1，吴修光2， 刘浩1

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.兖州煤业股份有限公司 济宁三号井煤矿，山东 济宁 272169 )

[摘要]为研究基本顶断裂位置对窄煤柱和沿空巷道稳定性的影响，建立了沿空巷道基本顶断裂结构力学模型，通过UDEC非线性数值模拟软件，对3种模型进行了模拟研究。研究表明：当基本顶断裂线位于巷道正上方时，巷道围岩变形和煤柱应力较大，不利于沿空巷道的维护；当基本顶断裂线位于煤柱外侧时，沿空巷道实体煤帮变形较小，是巷道维护的有利位置。

[关键词]基本顶；断裂位置；沿空掘巷；数值分析；窄煤柱

近年来沿空巷道技术得到广泛应用，已经成为井工开采较为普遍的巷道留设方式。然而，沿空巷道两帮煤体容易发生弹性变形和塑性破坏，综采大采高开采条件下容易片帮伤人。基本顶断裂位置又直接影响着巷道和窄煤柱的稳定性，因此，急需针对此问题展开研究。笔者以兖州煤业济宁三号井53下12工作面为依托研究了基本顶不同断裂位置对巷道及煤柱稳定性的影响。

1工程概况

兖州煤业济宁三号井53下12工作面煤层为3下煤层，平均厚度为5.63m，切眼处靠近3下煤层风氧化带，煤层变薄至1.3m左右，内生裂隙发育，f=1～2。直接顶为粉砂岩及泥岩，厚度平均1.1m，深灰色，致密，性脆，含多量植物化石碎片，上部含少量黏土质，f=4～6；基本顶厚度平均29.33m，主要为中砂岩及细砂岩，钙质胶结，坚硬，具水平波状层理，f=8～10；煤层直接底为泥岩和粉砂岩，平均厚度2.67m；基本底主要为细砂岩及中砂岩，平均厚度为6.31m。

53下12工作面采用后退式走向长壁综采一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板。53下12胶带巷西邻53下11工作面(已回采)，东临53下12辅巷，南部进入3下煤层风氧化带。53下12胶带巷沿53下11采空区掘进，受侧向支承压力及掘进动压扰动影响，高应力状态下的围岩容易失稳。

2基本顶断裂结构与窄煤柱稳定性分析

沿空掘巷上覆基本顶断裂结构模型如图1[1-3]所示。即基本顶断裂线位置分别位于煤柱外侧(模型1)、巷道正上方(模型2)及实体煤内侧(模型3)。

图1　沿空掘巷围岩结构力学模型

上覆直接顶岩层垮落，基本顶岩块B回转下沉，其上覆岩层和岩块B的重量较大部分转移到采空区的矸石上，部分转移到直接顶和煤层上。当基本顶断裂线位于煤柱外侧时，岩块B回转下沉稳定后部分载荷又转移到了采场直接顶上，采场顶板压力增大，对煤柱影响较小；当基本顶断裂线位于巷道上方时，在水平挤压力和摩擦力作用下，岩块B缓慢下沉，当矸石压实稳定后，岩块B及其上覆岩层载荷同样转移到了采场直接顶和窄煤柱上，承受较大应力的煤柱由弹性进入塑性阶段，煤柱水平和垂直位移增大，沿空巷道顶板下沉量和两帮移近量变化明显，成为影响煤柱稳定性和巷道变形的危险状态；当基本顶断裂线位于实体煤上方时，基本顶岩块的载荷除了采空区矸石、窄煤柱支撑外，一部分载荷转移到实体煤上，对巷道实体煤侧帮部水平位移影响最大，应加强实体煤帮支护强度[4]。

3模型建立和结果分析

3.1模型建立

为了研究沿空巷道围岩变形和煤柱稳定性，参照济宁三号井53下12工作面钻孔揭露地层情况建立模型，采用离散元UDEC数值模拟软件，由于模拟采空区开采对巷道的影响，所以取模型长度368.5m，高150m，煤层巷道埋深600m，宽5m，高4m。围岩本构关系采用Mohr-Coulomb准则，节理和层理面采用Coulomb滑移准则。

3.2模拟结果

3.2.1垂直位移分析

掘进期间顶板垂直位移量如图2所示。

图2　巷道顶板下沉量

由图2可知，沿空掘巷巷道上方断裂结构(模型2)导致最大下沉量位于煤柱上，为284mm，模型3最大值为241mm，位于巷道顶板肩部，模型1下沉量最小；总体变形情况为基本顶断裂在巷道上方时导致的垂直位移大于断裂线位于实体煤上方，断裂线于实体煤上方情况大于断裂线位于小煤柱外侧的情况，同时小煤柱的变形量大于巷道上方变形量。

基本顶断裂后，打破了之前形成的砌体梁平衡结构，在岩块承接上覆岩层传递的力学联系通过直接顶岩层传递在煤体和巷道上，由于模型2断裂线在巷道正上方，断裂岩块带有其较多能量作用在巷道右侧和窄煤柱上，一部分作用在采空区矸石上，在强大能量作用下，煤体吸收部分能量被压缩甚至压酥，因此，模型2结构导致的垂直位移较大。模型1部分能量进入采空区，模型3部分能量被实体煤和围岩吸收传递到远处。

3.2.2水平位移分析

掘进期间数值模拟沿空巷道实体煤侧围岩变形情况如图3所示。

图3　巷道实体煤帮变形

由图3可知：

(1)实体煤侧巷道左帮0.5～1.0m范围内水平位移类抛物线降低，1m成为抛物线极值，1～1.5m范围内水平位移类抛物线增大，1.5～3.0m范围内变形持续较高，最大值为654.9mm，3.0m以上部分移动量骤然减小，巷帮上部3.6m处水平位移最小，只有最大值的30%，在合理移动范围内，在无底煤的情况下，巷道中下部是围岩控制的重点区域。因此，为保证正常生产，应加强支护密度。

(2)从3条曲线可以看出，基本顶岩块断裂位置在巷道上方时(模型2)，巷道左帮水平移动量较其他2种情况大，其中，断裂位置在实体煤上方时(模型3)，水平位移量大于断裂在小煤柱上方(模型1)的情况，因为基本顶断裂后，其主要应力向下方传递，模型2和模型3的岩块B在回转下沉过程中都将在巷道实体煤侧传递能量，然而模型1的能量部分释放在了窄煤柱，因此，模型2和模型3对巷道实体煤壁影响较模型1大。

巷道煤柱侧围岩变形变化曲线图4所示。

图4　沿空掘巷煤柱帮变形

由图4可知：

(1)小煤柱帮下部2m处变形最大，因此，靠近煤柱一侧沿空巷道下帮1.5～2.5m范围内是变形的重点区域；围岩最大变形量达到2500mm，无法满足巷道的使用要求，此时需要采取必要的支护措施。如在距离巷道顶板1m位置处补打长度为3500mm的斜拉锚索，将其锚固在上覆稳定岩层中。

(2)基本顶断裂结构对于煤柱帮水平位移影响差异不大。

3种基本顶断裂结构下煤柱底板垂直应力分布规律如图5所示。总体来看煤柱所受垂直应力不显著，靠近巷道一侧(0～1.4m)应力较高，平均5.2MPa；1.4～2m应力急剧下降，最小为3.1MPa，是最大值的60%；2～2.2m应力微增，2.2m至煤柱边缘应力稳定，平均为3.275MPa。对比3条曲线发现，断裂线位于煤柱外侧和实体煤柱侧应力差别不大，而断裂线位于巷道正上方时，在巷道一侧1.5m范围内，应力值都高于其他2种情况，巷道维护难度最大，在其他位置与两者应力相对略小。

图5　煤柱底板垂直应力分布规律

根据基本顶断裂线位于巷道上方的情况作为支护的依据，提高巷道安全高效，为煤矿生产和安全提供保障。巷道实体煤侧和顶板采用锚杆、锚索联合支护，顶部布置3根锚索，4根锚杆，实体煤壁在1～4m范围内布置2根锚索，5根锚杆，沿空侧布置5根锚杆。顶部锚杆规格为：φ22mm×2500mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为800mm×800mm；帮部锚杆为：φ20mm×2200mm左旋等强全螺纹钢锚杆，间排距为750mm×800mm。

4结论

运用UDEC离散元数值软件模拟了3种不同断裂结构对沿空巷道变形及其煤柱应力的影响，得出以下几点结论：

(1)基本顶岩层断块在巷道正上方断裂时(模型2)顶部下沉大于模型1和模型3两种情况，其中，模型3大于模型1。

(2)基本顶岩层断裂位置对巷道实体煤帮变形影响程度为：巷道正上方断裂结构(模型2)>实体煤上方断裂结构(模型3)>煤柱上方断裂结构(模型1)。3种情况对巷道煤柱帮水平位移影响差别不大。

(3)巷道中下部是锚杆支护的重点区域，增加了小煤柱帮部锚索的支护条件下，巷道煤柱侧帮水平位移得到有效改善。

(4)断裂线位于巷道正上方时，在巷道一侧1.5m范围内，煤柱垂直应力都高于其他2种情况，巷道维护难度最大。

[参考文献]

[1]]王红胜，张东升，李树刚，等.基于基本顶关键岩块B断裂线位置的窄煤柱合理宽度的确定[J].采矿与安全工程学报，2014，31(1)：10-16.

[2]查文华，李雪，华心祝，等.基本顶断裂位置对窄煤柱护巷的影响及应用[J].煤炭学报，2014，39(S2)：332-338.

[3]张士岭，秦帅.沿空巷道变形与基本顶断裂位置关系数值模拟[J].煤炭技术，2014，32(11)：97-99.

[4]钱鸣高，石平五，徐家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010.

[责任编辑：王兴库]

Influence on Gob-side Entry Driving by Strata Fracture Position of Basic Roof

WANG Shuai1，GUI Bing2，WANG Hong-hong1，WU Xiu-guang2，LIU Hao1

(1.Mining & Safety Engineering College，Shandong University of Science & Technology，Qingdao 266590，China；2.Jining Three Number Shaft Coal Mine，Yanzhou Mine Co.，Ltd.，Jining 272169，China)

Abstract：In order to studying influence on narrow coal pillar and gob-side entry stability by fracture position of basic roof，fracture mechanic model of gob-side entry was built，then three different models were studied on the basis of UDEC nonlinear numerical simulation software.The results showed that surrounding rock deformation of entry and coal pillar stress were all large，when fractured line of basic roof located up on the roadway，its disadvantage for god side entry maintenance，but coal side of god side entry deformation was smaller when fractured line of basic roof located out of coal pillar scope，its better for entry maintenance.

Key words：basic roof；fracture position；god side entry driving；numerical simulation；narrow coal pillar

[收稿日期]2015-12-03[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.018

[基金项目]国家自然科学基金项目(51374139)；山东省自然科学基金项目(ZR2013EEM018)

[作者简介]王帅(1990-)，男，山东章丘人，硕士研究生，主要从事矿山压力与支护和矿山开采方面的学习研究。

[中图分类号]TD322.1

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)03-0068-03

[引用格式]王帅， 桂兵 ，王红红，等.基本顶岩层断裂位置对沿空掘巷影响分析[J].煤矿开采，2016，21(3)：68-70.