采动影响下双巷掘进煤柱承载特征研究

2020-09-09范文生刘晓东

山西焦煤科技 2020年8期

范文生，刘晓东

(1.山西焦煤集团有限责任公司, 山西太原 030024； 2.中国矿业大学矿业工程学院, 江苏徐州 221116)

双巷掘进作为一种巷道布置的方式在国内外煤矿中使用较广，不仅有利于采掘接替而且可以解决高瓦斯矿井的上隅角和回风巷瓦斯超限问题[1-3]. 双巷中间的煤柱需要经过掘进扰动、本工作面一次采动和下工作面二次采动的影响，其稳定性对保护巷道稳定起重要作用。

双巷掘进一般是本工作面的回风巷和下工作面的运输巷同时掘进，中间留设合理的煤柱宽度以保护巷道围岩稳定[4]. 文献[5] 认为工作面采动影响下煤柱保持稳定的条件是：中间弹性区的宽度是煤柱高度的两倍，合理的煤柱宽度为两侧塑性区宽度与中间弹性区域宽度的和。文献[6]采用UDEC-Trigon模型研究了双巷保护煤柱在采动影响期间的裂隙扩展规律，认为当煤柱内裂隙贯通时发生屈服丧失承载能力，为保持稳定内部必须有弹性承载区。文献[7]结合具体的工程实践，采用理论分析与数值模拟的方法研究了区段煤柱的应力分布规律和强度分布特征。文献[8]将双巷煤柱划分为破碎区、相对稳定区和锚杆支护区3个区域，采用极限平衡理论分析了一次采动后的煤柱的稳定性。现有文献主要对合理煤柱宽度进行确定，对双巷煤柱在采动影响过程中的受力特征分析较少。

以山西某矿双巷掘进为工程背景，建立FLAC3D数值模型，分析双巷煤柱在全动压影响过程中的塑性区和应力演化特征，为煤柱的安全留设提供指导。

1 生产地质条件

山西某矿主采3#煤层，3106、3107工作面位于一采区大巷东北侧，东南部为二采区大巷，东北部、西北部、西南部均为未采区。该煤层埋深平均300 m，平均厚度3.0 m，直接顶为1.4～3.0 m厚的粉砂岩，基本顶为2～10 m厚的砂质泥岩；煤层倾角平均5°，属于近水平煤层；3106回风顺槽和3107进风顺槽采用双巷掘进布置回采巷道。采掘工程示意图见图1.

图1 采掘工程示意图

2 双巷煤柱承载特性演化特征

2.1 数值模型建立

根据实际地质条件采用FLAC3D岩土工程软件建立数值模型，模型厚60 m，宽度150 m，长度200 m，包括7层岩层。模型两侧边界及前后边界均施加水平位移约束，底部边界施加垂直位移约束，上部边界施加7.5 MPa 的均布载荷，煤层采用应变软化模型，其余岩层采用Mohr-Coulomb模型。数值计算模型见图2，模型中的力学参数见表1.

图2 数值计算模型图

表1 模型中的物理力学参数表

数值模型计算过程为：建立数值计算模型→原岩应力平衡计算→双巷同时掘进计算→3106工作面回采计算→3107工作面回采计算→计算结果输出与分析。在给定围岩力学参数条件下，只考虑煤柱宽度变化对煤柱承载的影响，选择4 m、6 m、8 m、12 m煤柱4个方案进行模拟，通过对模拟结果的分析，找出煤柱承载规律的变化，选择最优的煤柱宽度。

2.2 双巷掘进期间煤柱承载特征

1) 塑性区分布特征。

不同煤柱宽度下，双巷掘进煤柱塑性区分布见图3. 由图3可知，在区段煤柱宽度不同的条件下，随着巷道的开挖，巷道围岩内发生破坏且都是剪切破坏。当巷道宽度为4 m时，巷道围岩在掘进时发生剪切破坏，破坏深度帮部为2 m，顶底部为3 m，4 m区段煤柱被剪切破坏贯通；当巷道宽度大于4 m时，随巷道开挖，围岩也发生剪切破坏，破坏深度大致和留设4 m煤柱时相同，但由于留设的煤柱宽度大于4 m，在区段煤柱中间留有一定的弹性核，6 m煤柱时弹性核占区段煤柱的2/3，8 m、12 m煤柱时，弹性核占区段煤柱的2/3以上。

图3 不同煤柱宽度下煤柱塑性区分布图

2) 垂直应力分布特征。

不同区段煤柱下，双巷掘进时区段煤柱内垂直应力分布见图4. 由图4可知，巷道开挖时，随煤柱宽度的增加，区段煤柱内的应力由单峰状向拱形变化，在煤柱宽度为4 m时，煤柱内的峰值应力最高，为9.8 MPa,随区段煤柱宽度增加，区段煤柱内的垂直应力峰值在减小；煤柱宽度6 m、8 m时，区段煤柱内的峰值应力相近为8.2 MPa；当区段煤柱为12 m时，区段煤柱内的峰值应力最小为8 MPa.

图4 不同煤柱宽度下煤柱内垂直应力曲线图

2.3 一次采动期间煤柱承载特征

1) 塑性区分布特征。

选择3106工作面后方20 m位置进行研究，得到一次采动后不同煤柱宽度的塑性区分布，见图5. 图5中，4 m、6 m和8 m煤柱经历一次采动后，在工作面后方20 m全部进入塑性破坏而且变形越来越大，破坏方式为剪切破坏；当区段煤柱为12 m时，在工作面区和工作面后20 m处，虽然塑性区在区段煤柱两帮增大，但煤柱中间仍保存有弹性区。

图5 一次采动影响后不同煤柱宽度下煤柱塑性区分布图

2) 垂直应力分布特征。

一次采动后煤柱内的垂直应力分布特征见图6. 在工作面后方20 m处，4 m煤柱内的垂直应力为6.8 MPa，低于原岩应力7.5 MPa,说明在3106工作面回采后已成为屈服煤柱。6 m煤柱内的垂直应力呈“马鞍型”双峰值分布，最大应力为10.5 MPa，超过原岩应力，煤柱内部承载范围约为3 m，说明6 m煤柱在一次采动以后是塑性承载煤柱。8 m煤柱的垂直应力最大为10.7 MPa，煤柱内部承载范围约为5 m，煤柱具有较高的承载力。12 m煤柱的垂直应力最大为11.9 MPa，其内部存在弹性承载区，范围约为9 m，说明煤柱承载效果较好。对比分析可知，煤柱宽度越大，一次采动后的垂直应力越高，而且内部的承载范围越大，由塑性承载逐渐转化为弹性承载。

图6 不同煤柱宽度下煤柱内垂直应力曲线图

2.4 二次采动期间煤柱承载特征

1) 塑性区分布特征。

3107工作面回采后，选择超前工作面10 m位置的断面进行分析，得到二次采动后不同煤柱宽度的塑性区分布，见图7. 4 m煤柱在3106工作面回采时，在工作面后方煤柱内的垂直应力低于原岩应力且变形较大，故在二次回采时不做分析。由图7可知，煤柱的破坏方式为剪切破坏，塑性区的范围变化较大，6 m和8 m煤柱超前10 m的塑性区范围较一次回采时增大；12 m煤柱时塑性区虽然也增大，但在煤柱中仍有一部分弹性核。

图7 不同煤柱宽度下煤柱塑性区分布图

2) 垂直应力分布特征。

二次采动下，不同宽度煤柱垂直应力曲线图见图8. 由图8可知，受二次采动影响煤柱内的垂直应力有所升高，但随着煤柱宽度的增加，煤柱内的垂直应力在减小。6 m煤柱时最高，煤柱内的峰值应力为15.59 MPa；12 m煤柱时最小，峰值应力为13.6 MPa. 说明6 m以上煤柱仍具有承载能力，6 m、8 m煤柱为塑性承载煤柱，12 m煤柱为弹性承载煤柱。