石窟煤矿工作面回采煤柱稳定性分析

宋海龙

(山西煤炭运销集团三元石窟煤业有限公司,山西长治,047500)

1 引言

采场及围岩稳定性的研究是煤炭开采安全的基础课题,国内外学者针对不同煤层赋存及地质条件提出多种假设,其中面对顶底板结构稳定不存在软弱夹层的情况下组合梁理论应用结果理想。柏建彪[1]等应用UDEC模拟软件分析研究了不同地质条件下煤柱稳定性与其留设宽度以及支护条件的联系,并得出支护后的窄煤柱是围岩受荷体系的重要部分；范军平等[2]通过数值模拟与理论相结合的方法,揭示了采掘影响下煤柱位移变形规律,在此基础上分析了支护与煤柱共同作用理论在巷道支护方面的适用性；面对复杂独特的地质状况,针对性的研究采掘扰动对采场围岩稳定性的影响规律不仅可为本矿提供帮助同时对煤矿安全基础理论研究提供一定的参考。

2 地质状况

石窟煤矿30106工作面开采煤层属下二叠统山西组下部的3#煤层,煤层赋存相对稳定,结构简单,该煤层以块状为主,内生裂隙较发育,条痕为黑色,玻璃光泽,参差状—阶梯状断口,根据工作面附近的3号钻孔资料以及两顺槽掘进时探明的情况,煤层厚度5.33 m～6.68 m,平均厚度6.10 m,坚固性系数2～3,整体呈单斜构造,倾向313°,走向N43°E,煤层倾角2°～5°,平均倾角3°。煤层及顶底板地质结构如图1所示。

图1 煤层地质柱状图

3 煤柱变形破坏机理

煤炭综采过程中当上工作面采掘完毕后,支架前移后采空区上覆的直接顶垮落基本顶发生破断,上部载荷转而由采空区垮落堆积的矸石和煤柱以及未采掘的煤体共同承担,基本顶沿采空区一侧破断组成悬臂梁结构,上覆载荷转移到下部煤柱及实体煤中。前一工作面采掘之后,煤柱受到的压力大部来源于上部的岩层载荷,当工作面推进时,还会受到超前支承压力的作用。当下一工作面掘进时,开采造起超前工作面一定距离内煤岩体中应力集中,此时,煤柱受到超前支承压力的影响,应力集中程度较大[3]。因采区上部直接顶基本顶的破坏引起煤柱上覆岩层发生结构性的变化,由于煤炭采出造成原本暂时稳定的基本顶形成的悬臂梁结构发生破断下沉,该结构的整体稳定性发生变化。煤柱因为超前支承压力和上覆岩层结构变化,结构的失稳危险指数增大。然而煤柱受到的载荷大小方向及类型主要由其上覆岩层结构决定,采掘影响逐步趋向稳定时,上覆岩体结构保持相对稳定,此时煤柱与岩层接触部分的性质和支护条件对煤柱在荷载影响下的变形影响巨大。

前一个工作面采过后,由于采掘扰动使采场上部岩层出现应力重新分布的情况,工作面前方的一定范围内煤岩体以及和采空区邻近的煤岩体中出现应力集中,临采空区一侧的煤柱在水平方向支承力的作用下,发生塑性变形及破坏,支承压力对煤体深部产生作用,持续至支承压力最大值和煤柱极限强度达到平衡,同时,煤柱靠近下一工作面回采巷道一侧由于巷道掘进使煤柱边缘发生塑性变形和破坏,在下工作面开采过程中,煤柱受到超前支承压力的影响,所承载的载荷增大,煤柱被塑性区贯通稳定性不断下降[4]。

图2 煤柱变形破坏示意图

如图2所示,因煤层顶底板岩层层理均匀,性状稳定煤柱与顶底板接触不受软弱层影响,同时该矿巷道应用锚杆锚索及金属网支护,煤柱两边皆受到侧向力的约束,这样符合理论中发生塑性流动破坏的情况。

4 数值模拟分析

应用FLAC3D5.0有限差分模拟软件进行数值分析,以石窟煤矿30106 工作面进行建模,其中模型总体尺寸为长×宽×高=50 m×50 m×50 m,共生成345 000个单元。其中模型中各个岩层力学参数具体如表1所示,模拟中将模型底边界固定,同时限制侧边界的侧向位移,在模型顶部施加实际地质情况等效的均布荷载,模型经过初始平衡后进行运算。

表1 岩层力学参数表

对比回采过程中工作面超前部分煤柱塑性区的变化,如图3所示,随着超前距离的不断缩小煤柱塑性区扩大,即煤柱塑性破坏程度加重,表现为从30m 到0m塑性区域增大且沿顶板与煤柱接触面开始,并且逐渐向底板延伸发展成为塑性贯通区,这一现象造成煤柱向两侧变形,这与理论分析一致。

图3 开采造成工作面煤柱塑性区分布图

如图4 所示,随着煤柱宽度的增加煤柱中铅垂应力不断减小,但是根据应力云图显示应力整体分布情况始终保持马鞍形即应力核区仍然与极限承载区域重合,其中应力最大值集中于煤柱中心部位。

图4 煤柱不同高度应力对比云图

图5 顶板接触面煤柱应力值

如图5 所示,煤柱应力从边到中心不断增大经过应力核区后向另一边界逐渐减小,其中最大值为42 MPa,随着观测位置的下降极限承载区不断扩大。

通过应用实际支护参数进行模拟得出,工作面推进后煤柱向两侧的变形量如图3 所示,煤柱塑性变形量与距煤柱中心距离相关,距离中心越近侧向塑性变形量越大,且表现为两侧向相反方向发生位移,煤柱中心变形几乎为零,此时煤柱中心竖向应力值最小,如图4所示,煤柱应力分布呈现均匀的年轮形,核心承载区宽度合理表示煤柱在工作面回采过程中虽然会发生一定量的塑性变形,但是其整体稳定性好。

图6 煤柱侧向变形量曲线图

5 结论

(1)通过理论分析与数值模拟分析确定了适用的煤柱塑性变形规律,可以为支护方式的选取提供理论依据及支护监测重点。

(2)在回采过程中,当煤柱与顶底板接触面不存在软弱夹层的影响时,煤柱发生塑性流动式破坏为主,且随着工作面推进煤柱逐渐由顶面向底面发生延伸式的塑性破坏,破坏区域不断扩大。

(3)煤柱塑性变形量表现为两侧最大,距离煤柱中心越近其变形量越小,此时煤柱中心竖直向应力最大,煤柱整体稳定性较好,随着煤柱宽度的增加煤柱中铅垂应力不断减小,应力核区的增大使得煤柱更加稳定,但煤柱应力曲线整体仍然呈马鞍形变化。