近距離煤層雙重采動對上層煤軌道大巷擾動影響規(guī)律研究

杜運(yùn)夯

(云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南省曲靖市，655001)

在近距離煤層開采中，上下煤層采動不僅會影響采場應(yīng)力分布，還會使周圍巷道的受力變形發(fā)生變化。為了更好地維護(hù)近距離煤層巷道，開展近距離煤層雙重采動條件下大巷底板應(yīng)力分布及大巷擾動特征研究具有重要意義。

近些年國內(nèi)外專家學(xué)者對近距離煤層開采做了大量的研究工作，馮宇峰等對刀柱式采空區(qū)上方煤層回采工作面底板進(jìn)行受力分析，確定出工作面安全長度，并運(yùn)用UDEC數(shù)值模擬對刀柱式采空區(qū)上方工作面應(yīng)力及底板塑性區(qū)進(jìn)行了分析；馬振乾等采用相似材料模擬、數(shù)值計算方法研究了近距離煤層重復(fù)開采過程中煤層底板應(yīng)力的動態(tài)演化規(guī)律，并探討了底板巷道圍巖應(yīng)力分布特征；劉洋等采用FLAC 3D數(shù)值模擬方法研究了近距離煤層不同開采條件下形成的采動應(yīng)力分布特征，重點分析了上層煤工作面推進(jìn)時的應(yīng)力場以及對下層煤應(yīng)力分布的影響；張向陽等運(yùn)用數(shù)值模擬、相似模擬和工程實踐相結(jié)合的研究方法,分析了近距離煤層開采過程中采場圍巖應(yīng)力分布規(guī)律、位移變化及變形破壞特征。

本文以山西省黃土坡煤礦1109工作面軌道大巷受近距離煤層雙重采動影響的問題為研究基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬、理論分析及現(xiàn)場實測相結(jié)合的研究方法對近距離煤層雙重采動大巷底板所在標(biāo)高應(yīng)力分布進(jìn)行研究，確定出工作面采動影響下大巷底板所在標(biāo)高應(yīng)力分布特征，為其他類似工作面開采參數(shù)和巷道支護(hù)參數(shù)的科學(xué)設(shè)計提供依據(jù)。

1 工程背景

1109工作面主采12-1煤層，煤層平均厚度3.8 m，煤層傾角3°。1109工作面標(biāo)高-790～-825 m，工作面傾向長185 m，走向長1760 m。工作面下方10-2煤層1249工作面已回采完畢，停采線距西一12-1軌道大巷水平距離198 m，垂直距離62 m左右。1249工作面傾向長240 m，平均煤厚2.5 m，傾角2°，如圖1所示。

2 數(shù)值模型建立及方案設(shè)計

2.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC 3D軟件以1109工作面的采掘工程情況為背景，建立數(shù)值計算模型，工作面推進(jìn)方向

為x方向，工作面傾斜方向為y方向，豎直方向為z方向，模型尺寸為480 m×300 m×200 m(x×y×z)。為了數(shù)值模擬更準(zhǔn)確，在y方向上分別預(yù)留了30 m的模型邊界，1109工作面、1249工作面和大巷的空間關(guān)系都是按照實際設(shè)定，如圖2所示。

圖1 1109工作面蹬空開采示意圖

圖2 數(shù)值計算模型

2.2 力學(xué)參數(shù)的選取

模型計算采用摩爾—庫侖準(zhǔn)則計算。根據(jù)實驗室煤巖物理力學(xué)參數(shù)測試，模擬參數(shù)見表1。

表1 計算模型的巖體力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬方案及監(jiān)測方案設(shè)計

在模型初始平衡后，先開挖10-2煤層，并按實際留設(shè)煤柱，再分步開挖12-1煤層，研究不同保護(hù)煤柱尺寸下工作面采動對大巷的影響。工作面空間關(guān)系及測線位置如圖3和表2所示，在模型中沿走向布置4條測線。通過提取測線上的應(yīng)力數(shù)據(jù)并繪制成曲線分析大巷底板所在標(biāo)高的應(yīng)力分布規(guī)律。

圖3 工作面空間關(guān)系和測線位置示意圖

測線位置測線一1109工作面?zhèn)让婷褐鶅?nèi),距軌道巷57m測線二1109工作面?zhèn)让婷褐鶅?nèi),距軌道巷3m測線三1109工作面上部,距軌道巷46m測線四1109工作面中部,距軌道巷93m

首先開挖10-2煤層至停采線，通過監(jiān)測測線二、三、四上的應(yīng)力，研究停采線前方大巷底板所在標(biāo)高的應(yīng)力分布特征。

在10-2煤層開采結(jié)束后，對12-1煤層進(jìn)行回采。為了便于描述工作面雙重采動對大巷的影響，將12-1煤層分步進(jìn)行開采，保留不同尺寸的大巷保護(hù)煤柱，觀測工作面至大巷不同距離時4條測線上的應(yīng)力分布情況。

3 單層采動大巷底板所在標(biāo)高應(yīng)力分布

1249工作面開采時大巷底板所在標(biāo)高的應(yīng)力分布如圖4、圖5所示。

圖4 1249工作面開采大巷底板所在標(biāo)高的垂直應(yīng)力分布

圖5 1249工作面開采大巷底板所在標(biāo)高的水平應(yīng)力分布

從圖4和圖5可以看出：

(1)至工作面水平距離30 m范圍內(nèi)，工作面?zhèn)认? m處煤柱對應(yīng)的垂直應(yīng)力由峰值(44.2 MPa)逐漸降低，工作面上部和中部對應(yīng)的垂直應(yīng)力逐漸升高；在至工作面水平距離30 m左右時，工作面各個位置對應(yīng)的垂直應(yīng)力開始保持一致，應(yīng)力值為36 MPa左右；在30 m范圍之外，應(yīng)力值逐漸降低，由于受到巷道開挖的影響，在至工作面水平距離156 m之外到巷道附近位置，垂直應(yīng)力略小于這個深度的原巖應(yīng)力。

(2)受工作面采動影響，在工作面前方30 m范圍內(nèi)，工作面?zhèn)认? m處煤柱對應(yīng)的水平應(yīng)力由峰值(23.9 MPa)逐漸降低至接近此水平的原巖應(yīng)力，受巷道開挖影響，在大巷底板的位置，水平應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，應(yīng)力峰值達(dá)到28.4 MPa，遠(yuǎn)離大巷之后的位置，應(yīng)力逐漸減小至略低于此水平的原巖應(yīng)力。

(3)受工作面開采的影響，工作面前方的水平應(yīng)力較小，隨著至工作面距離的增大，工作面上部和中部對應(yīng)的水平應(yīng)力逐漸增大，受巷道開挖影響，在大巷底板的位置，水平應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。

4 雙重采動大巷底板所在標(biāo)高應(yīng)力分布

4.1 垂直應(yīng)力分布特征

在1249工作面已采前提下，1109工作面推進(jìn)至距離大巷不同距離時大巷底板所在標(biāo)高的垂直應(yīng)力分布，如圖6～圖10所示。

綜合分析圖6～圖10可以看出：

(1)在10-2煤層停采在離巷道水平距離198 m 前提下，12-1煤層推進(jìn)到離大巷水平距離180 m 時，大巷開始受到輕微的采動影響，隨著12-1 煤層繼續(xù)推進(jìn)，工作面離大巷越來越近，大巷受到的影響程度會逐漸增強(qiáng)。

圖6 1109工作面距大巷300 m時大巷底板所在標(biāo)高的垂直應(yīng)力分布

圖7 1109工作面距大巷240 m時大巷底板所在標(biāo)高的垂直應(yīng)力分布

圖8 1109工作面距大巷180 m時大巷底板所在標(biāo)高的垂直應(yīng)力分布

圖9 1109工作面距大巷120 m時大巷底板所在標(biāo)高的垂直應(yīng)力分布

圖10 1109工作面距大巷60 m時大巷底板所在標(biāo)高的垂直應(yīng)力分布

(2)工作面不同位置的超前影響情況有一定的差別，當(dāng)工作面距離大巷超過120 m時，在工作面前方60 m范圍內(nèi)，工作面?zhèn)让婷褐鶎?yīng)的支承應(yīng)力相對大一些，在60 m范圍之外，工作面各個位置對應(yīng)的超前應(yīng)力開始保持一致。

(3)在工作面推進(jìn)到距離大巷120 m之內(nèi)，工作面中部的超前應(yīng)力水平相對較大，對相應(yīng)段的大巷影響也會增大。

4.2 水平應(yīng)力分布特征

1109工作面推進(jìn)過程中距離大巷不同距離時大巷底板所在標(biāo)高的水平應(yīng)力分布，如圖11～圖15所示。

圖11 1109工作面距大巷300 m時大巷底板所在標(biāo)高的水平應(yīng)力分布

圖12 1109工作面距大巷240 m時大巷底板所在標(biāo)高的水平應(yīng)力分布

圖13 1109工作面距大巷180 m時大巷底板所在標(biāo)高的水平應(yīng)力分布

圖14 1109工作面距大巷120 m時大巷底板所在標(biāo)高的水平應(yīng)力分布

圖15 1109工作面距大巷60 m時大巷底板所在標(biāo)高的水平應(yīng)力分布

從圖11～圖15可以看出，10-2煤層和12-1煤層開采會減小大巷附近圍巖的水平應(yīng)力，在工作面中部對應(yīng)段的大巷水平應(yīng)力最小，總體來說，對于底板不支護(hù)的大巷來說，雖然工作面開采減小了其附近圍巖的水平應(yīng)力，但底板的水平應(yīng)力一直維持在較高的水平。

5 工程實踐

在現(xiàn)場實際中，為了維護(hù)西一12-1采區(qū)軌道大巷，確定1109工作面合理停采線，在西一12-1軌道大巷左幫(靠近工作面一幫)布置兩個深5 m的測點，測點編號1#、2#，兩測點間距30 m，如圖16所示。測點處安裝應(yīng)力計，監(jiān)測1109工作面推進(jìn)過程中西一12-1軌道大巷圍巖的受力情況。

圖16 測點應(yīng)力計安裝位置示意圖

由測點應(yīng)力計監(jiān)測到的數(shù)據(jù)繪制1109工作面推進(jìn)過程中測點應(yīng)力值變化曲線，如圖17所示。

圖17 測點應(yīng)力值變化曲線

從圖17可以看出，1109工作面推進(jìn)到距離西一12-1軌道大巷左幫測點187 m時，測點應(yīng)力值開始發(fā)生明顯變化，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，測點應(yīng)力值逐漸增加。在現(xiàn)場實際中，當(dāng)工作面推進(jìn)至距離測點155 m時，1#測點應(yīng)力值達(dá)到7.60 MPa，西一12-1軌道大巷發(fā)生明顯變形，1109工作面在此處停采，停采線距大巷平均距離169 m。

6 結(jié)論

(1)10-2煤層停采后，隨著距離停采線水平距離的增大，大巷底板所在標(biāo)高垂直應(yīng)力逐漸減小，水平應(yīng)力逐漸增大，大巷底板水平應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。

(2)從支承應(yīng)力分布情況來看，當(dāng)12-1煤層推進(jìn)到至大巷水平距離180 m時，大巷開始受到采動影響，采動所引起的超前支承應(yīng)力形成的應(yīng)力集中區(qū)與巷道垂直集中應(yīng)力區(qū)疊加，增加了大巷圍巖的垂直應(yīng)力，增加了圍巖的載荷。

(3)大巷開挖以后，底板出現(xiàn)水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，總體來說，兩層煤開挖減小了底板的水平應(yīng)力集中程度，但對于不支護(hù)的大巷底板來說，水平應(yīng)力一直維持在較高的水平。

(4)實測數(shù)據(jù)顯示，12-1煤層推進(jìn)到距離西一12-1軌道大巷左幫測點187 m時，測點應(yīng)力值開始發(fā)生明顯變化，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，測點應(yīng)力值逐漸增加。當(dāng)工作面推進(jìn)至距離測點155 m時，1#測點應(yīng)力值達(dá)到7.60 MPa，西一12-1軌道大巷發(fā)生明顯變形，1109工作面在此處停采，停采線距大巷平均距離169 m。

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