矿山开采区巷道掘进对交错巷道稳定性的影响分析

2021-05-21侯殿坤

中国金属通报 2021年5期

许诺，侯殿坤

（内蒙古科技大学，内蒙古包头 014010）

巷道布置往往在矿井底部，存在巷道彼此间平行、斜交等近距离跨巷掘进的形式，进而形成交错布置形式[1-3]。布尔台矿三盘区12上矿山回风大巷与后掘二盘区矿产资源开采辅运巷呈空间交错布置。交错巷道巷间矿体受采掘二次扰动影响，近距离交错巷道间地层应力叠加互扰较更加明显、更易导致局部破坏，有限尺寸的巷道及矿体承载结构呈现失稳状态[4-6]。结合研究矿区的巷道及地层的实际条件，对近距离交错巷道掘进扰动对地层影响、矿体破坏失稳方式进行分析和研究，为类似工程实例提供理论依据与技术参考。

1 概况

布尔台矿位于内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇境内，井田面积193平方公里，可采储量20亿吨，年生产能力2000万吨。矿井生产能力、主运输系统能力、开采出的矿产资源洗选加工能力3项世界第一的特大型井工矿井，也是一座集生产、洗选、储装、外运综合布局的特大型高产高效现代化井工矿井。布尔台矿埋深290 m，均厚2.43 m。矿层直接顶主要为以砂质泥岩为主，局部为粉砂岩、中粒砂岩。尔台矿三盘区12上矿回风大巷（矩形大巷，断面尺寸5200 mm×2100 mm）与二盘区资源辅运巷道（三心拱直墙巷道，断面尺寸5200 mm×3300 mm墙高2000）形成空间立体交错分布，交错位置间距5 m。掘进及交错位置处于直接顶内。

表1 矿层顶底板岩性表

2 掘进巷道数值模拟

如图1所示，三盘区12上矿回风大巷、二盘区12矿产资源辅运巷呈近距离空间交错的空间范围位置为研究对象，二者交错位置为5m，上巷为先掘巷道，下巷为分步开掘巷道，在上巷采动影响外先掘进20 m，而后每步掘进2 m，模型尺寸为80×80×80 m。对三盘区转运巷掘进采用FLAC3D数值计算软件进行建模。因此，拟定了以下方案，建立交错巷道数值计算模型，研究在埋深290 m条件下、侧压力系数为1、巷道交错角度90°、巷道间距为5 m的交错巷道的掘进对矿体的应力位移及破坏研究。

图1 模型示意图

表2 地层的力学参数

3 矿体的稳定性分析

3.1 应力分析

位于交错位置远端开掘时，呈现出单一巷道布置形式的受力特征，矩形巷道的边角及巷帮有应力叠加现象，水平应力在上巷顶底板位置集中，两帮释放，垂直应力在上巷两帮出现应力集中，顶底板出现应力释放。当下巷逐渐掘进至交错位置时，上巷道顶板矿体局部位置的侧向水平应力集中值增加显著，底板承重力力减弱，垂直应力在上巷两帮位置叠加加剧。

综上分析认为，当前条件下在三盘区回风大巷下方较近位置掘进巷道，且逐渐与三盘区回风大巷形成近距离交错巷道形式，其交错巷道位置及其附近矿体将受到Z方向垂直应力集中和下巷垂直应力的释放、上巷X 方向水平应力集中和释放、下巷Y方向水平应力集中和释放的综合扰动影响。掘进后使巷间矿体呈现出单侧受力垂直自由面的不利受力。

3.2 位移分析

图2 应力云图

图3 位移云图

在未掘进到交错位置的位移分布特征来看，回风大巷的顶板和两帮的地层变形顶底板围岩近移量达50mm，两帮移近量30mm；逐渐掘进到巷道交错位置，其上方回风大巷顶板移近量最大70mm，两帮移近量最大40mm以内。当掘进跨巷后，形成交错巷道布置形式，巷间矿体上部的上巷底板底鼓量增加减小，巷间矿体提下部的下巷顶板下沉量增加显著。

综上分析，得益于当前巷道布置位置的较好的工程地质条件，但上下巷形成近距离交错巷道空间结构，矿体力学状态及其承载结构将变得复杂特殊，这会加剧三盘区回风大巷的变形程度。交错位置上巷顶底板两帮变形增加显著，交错上巷底板底鼓相对该位置以外地层鼓起量有所降低，这说明巷道交错位置的地质层存在整体挤压加剧并伴随向下沉陷位移的特征，如果不加以控制存在上下巷贯通是稳破坏的不利局面。