丘陵盖山极近距离煤层开采巷道变形特征与规律研究

于建军

(山西焦煤 西山煤电集团, 山西 太原 030024)

山西境内多为黄土覆盖的丘陵高原,地势东北高西南低,地形起伏较大,河谷纵横,山多川少,地貌类型复杂多样,山地、丘陵面积占全省总面积的80.1%. 煤层盖山厚度(即煤层埋深)的变化影响着采场的应力分布,导致巷道围岩变形严重,支护困难。研究不同盖山厚度下的采场应力与巷道变形规律,对巷道合理、高效支护有重要意义。杨俊青[1]和周英豪[2]等使用数值模拟软件分析了不同盖山厚度巷道两帮的应力水平、顶板应力峰值差和巷道围岩塑性区、残余应力区演化规律,建立了变形预测模型,为巷道的支护设计提供了理论基础;王延生[3-4]等通过现场监测、理论分析与数值模拟相结合的方法,分析研究了山丘地形下影响工作面来压的因素;李天龙[5]和李军[6]等采用UDEC分析了不同埋深、侧压系数和断面形状等对巷道围岩的变形破坏特征,为围岩的控制提供了理论依据;Aoran Li[7]等采用Flac3 D分析了巷道埋深、岩性等对围岩稳定性的影响,构建了巷道的变形预测模型;苗彦平[8]和邵卫华[9]等基于现场实测和理论分析研究了不同埋深回采巷道顶板采动应力响应特征,为巷道支护及煤柱宽度留设提供一定参考。前人对不同埋深下单一煤层巷道变形进行了深入研究[10-12],本文针对极近距离双煤层开采条件下盖山厚度对巷道变形的影响问题,结合西铭矿北七采区8#煤和9#煤的地质条件,采用3DEC数值模拟软件分析了49707运输巷道在不同盖山厚度下随工作面开采的变形特征与规律。

1 工程概况

山西焦煤能源集团股份有限公司西铭矿位于山西省太原市,主要开采石炭系煤层。北七采区中,8#、9#煤层埋深211～400 m,8#煤层位于9#煤层上方,两煤层间距为0.68～4.7 m,平均间距为2.02 m,属于极近距离煤层。8#煤层厚度为2.23～6.57 m,平均厚度为3.64 m;9#煤厚度为1.9～4.41 m,平均厚度为3.18 m. 8#煤层和9#煤层层间岩层岩性主要为泥质砂岩,易呈块状冒落,为二类易冒落型顶板。8#煤层与9#煤层采用长壁垮落法开采,并留设区段煤柱。

围绕西铭矿上位8#煤层48709工作面、48707工作面和下位9#煤层49709工作面、49707工作面,共计4个近距离工作面开展研究。8#煤层和9#煤层采用下行开采方式,工作面开采顺序为:首先依次开采48709和48707工作面,待8#煤层顶板稳定之后,继续依次开采9#煤层49709和49707工作面,工作面位置关系和推进方向见图1. 49707运输巷道的顶板为8#煤层和9#煤层间的夹层,因上部8#煤层开采而破坏严重,且存在已垮落岩层与遗留煤柱的叠加应力,巷道围岩表现为压力大、变形严重、支护困难、维修量大。因此,亟需研究49707运输巷道在不同盖山厚度下,随工作面开采巷道围岩的变形特征与规律。

图1 工作面位置关系图

2 极近距离煤层巷道围岩数值计算模型构建

以西铭矿北七采区8#煤层和9#煤层的开采情况为工程背景,建立极近距离煤层开采内错式巷道布置条件下的数值计算模型,对比分析不同盖山厚度下工作面开采对巷道围岩变形特征的影响。

1) 模型设计方案。

设计盖山厚度分别为250 m、300 m和350 m的3种模拟方案(在方案的对比分析时暂不考虑巷道支护强度对围岩稳定性的影响,盖山厚度以模型上方施加载荷的形式体现),研究不同盖山厚度下,8#煤层与49709工作面开采完毕,顶板稳定后,49707工作面开采对49707运输巷道围岩的影响,分析工作面前方50 m内的巷道围岩变形特征与规律。

2) 模型构建。

根据8#、9#煤层所在煤系地层岩石物理力学参数(表1)及煤层赋存条件,建立尺寸为长80 m×宽70 m×高26 m的模型。模型水平方向为x轴,工作面推进方向为y轴,垂直于岩层方向为z轴。根据现场条件,设定模型上表面为自由面,底部边界施加固定约束,模型四周边界根据西铭矿地应力测试结果按1.5倍的侧压系数施加渐变的水平应力。煤岩体在其自身所受载荷达到其峰值强度之后会产生一定的塑性变形,故模型块体和节理均应用摩尔-库伦准则。

表1 煤岩层物理力学参数表

3) 模型开挖方案。

8#煤层工作面间留设20 m区段煤柱,9#煤层工作面间留设32 m区段煤柱,9#煤层巷道采用内错布置,错距为6 m. 8#煤层采高为3.5 m,48709和48707工作面推进长度为70 m,每次推进的长度为10 m,煤层巷道形状为矩形,尺寸为宽5 m×高3.5 m;9#煤层采高为3 m,49709工作面推进长度为70 m,49707工作面推进长度为50 m,每次推进的长度为10 m,煤层巷道形状为梯形,尺寸为上宽3.5 m×下宽4.5 m×高3.4 m,模型见图2.

4) 模型监测方案。

模型设一个固定测站,位于49707工作面前方50 m,监测随工作面开采巷道变形特征和位移,测站位置见图3,箭头方向为工作面推进方向。测站断面共设20个测点,顶板正上方0.5 m处布置5个水平间距0.875 m的测点,底板正下方0.5 m处布置5个水平间距1.125 m的测点,左帮正左方向0.5 m处布置5个垂直间距0.85 m的测点,右帮正右方向0.5 m处布置5个垂直间距0.85 m的测点。

图3 测点布置示意图

3 不同盖山厚度巷道围岩变形分析

3.1 巷道围岩应力分析

按照预定方案开挖模型,研究开挖后模型的应力分布。首先开挖48709工作面、48707工作面,待8#顶板稳定后,继续开采49709工作面,开挖完成后的模型见图4.

图4 开挖后岩层垮落图

由图4可以看出,8#煤两侧工作面与49709工作面开采完毕后,在两层煤柱附近形成了3条主要的岩层断裂线。2#断裂线和3#断裂线由上部8#煤层开采形成,1#断裂线由下部49709工作面开采形成。对开挖后模型的应力分布进行计算,得到极近距离煤层开挖后巷道围岩的垂直应力云图与水平应力云图,见图5.

图5 开挖后模型应力分布云图

由图5(a)可以看出,整体模型的垂直应力与埋深呈正相关关系,在断裂线附近模型的垂直应力存在如下规律:在断裂线的斜下方一定范围内,由于与上方岩体分离,该范围内煤岩体不受上方岩体的重力影响,垂直应力小,属于低垂直应力区。单一断裂线(3#)斜下方低垂直应力区范围大致为断裂线两端点的垂直投影线、断裂线与模型底部三者之间所围成的梯形区域,见图5(a)中3#断裂线下方的低垂直应力区;双断裂线(1#、2#)中相对位置靠下的断裂线(2#)所形成的低垂直应力区与单一断裂线相似,见图5(a)中1#断裂线下方的低垂直应力区。

对比单一断裂线,双断裂线之间同时存在着低垂直应力区和高垂直应力区,见图5(a)中1#断裂线与2#断裂线之间的区域。其中高垂直应力区形成的原因是:由于岩层的断裂离层,双断裂线之间岩体的垂直作用力无法传递到1#断裂线下方的岩体,导致沿着1#断裂线上方形成条带状的应力集中区,即所述的高垂直应力区。

由图5(b)可以看出,8#煤与9#煤49709工作面开采完毕后,整体模型的水平应力与岩层的弯曲断裂有着明显的联系。岩层向下弯曲断裂时,部分岩层受到拉应力,与部分原岩压应力抵消,导致该部分显示出较小的水平压应力,甚至出现水平拉应力;部分岩层受到压应力,与原岩压应力叠加,导致该部分具有较大的水平压应力,见图5(b)中模型顶部区域。

3.2 巷道围岩变形特征

模拟分析盖山厚度分别为250 m、300 m和350 m时的巷道围岩变形情况,根据测点检测到的巷道围岩位移数据,利用CAD绘制出不同盖山厚度和工作面前方不同距离下的巷道断面变形图,见图6. 图6中,最外圈梯形轮廓为巷道初始断面,内圈的不规则轮廓为巷道变形后的断面,巷道初始断面积为13.6 m2,图示所标注的数字为巷道变形后的断面积,百分数为巷道的断面收缩率(巷道变形面积与初始断面积的比值)。

图6 巷道变形断面图

结合图5对图6进行分析,可以得到如下变形特征及机理:

1) 随着工作面与巷道监测断面距离的减小,巷道顶板来压逐渐增强,断面收缩率不断增大。

2) 巷道顶板呈现倒三角形下沉,顶板右侧变形量大于左侧。由图5(a)可知,巷道右侧位于高垂直应力区,受48707采空区顶板冒落和弯曲下沉的影响大,且右侧靠近工作面,受49707工作面开挖扰动大,右侧顶板变形严重;巷道左侧位于3#断裂线下方的低垂直应力区,受盖山载荷影响小,且靠近煤柱,受工作面开挖扰动小,变形量小于右侧。

3) 在工作面推进至监测断面时,巷道工作面帮变形量显著大于巷道煤柱帮,巷道底板基本无变形。由图5(b)可知,49707运输巷道工作面帮水平应力高于煤柱帮,受压严重,变形量大。

3.3 巷道围岩变形规律

根据测点监测到的数据,作出不同盖山厚度下巷道断面变化率曲线,见图7.

将不同盖山厚度下3条曲线同位置点求和取平均,得到随工作面推进的巷道断面平均收缩率。作出巷道断面平均收缩率变化曲线,并对距离20 m以内的曲线进行拟合,见图8.

图8 巷道断面平均收缩率变化拟合曲线图

通过图7和图8对巷道变形特征进行分析,可以得出以下规律:

1) 巷道断面收缩率受盖山厚度影响,随着盖山厚度增大,巷道断面收缩率增加,且增加量减少。盖山厚度从250 m增加到300 m,工作面推进至监测断面时巷道断面收缩率增加了7.9%,巷道收缩率变化较为显著;盖山厚度从300 m增加到350 m,工作面推进至监测断面时巷道断面收缩率增加了3%,巷道收缩率增加幅度减小。

2) 巷道断面收缩率受工作面开采的影响,随着工作面的推进,工作面与监测断面距离减小,巷道断面平均收缩率增大。由图8可知,距离工作面10 m时,巷道断面平均收缩率较距离20 m时增加了5%;工作面推进至监测断面时,巷道断面平均收缩率较距离工作面10 m时增加了12.9%.

4 结 论

1) 随工作面推进,巷道断面收缩率逐渐增加,其中巷道顶板和右帮变形量最大,顶板右侧变形量大于左侧,呈倒三角形下沉,在进行巷道支护工作时尤其需注意加强巷道顶板和右帮的支护强度。

2) 在盖山厚度250～350 m,随盖山厚度增加,巷道断面收缩率呈增长趋势,增长量呈减缓趋势,当盖山厚度增加时,应提高支护强度。

3) 在距离工作面前方20～40 m时,巷道断面平均收缩率变化曲线基本保持不变,在距离工作面前方20 m左右,巷道断面平均收缩率呈指数型快速增加,曲线平均斜率由0增至1.29,巷道断面在较短推进距离内发生急剧收缩,应及时加强支护,避免发生事故。