智國(guó)軍 霍曉林 程葉
摘 要:以1105工作面為研究對(duì)象,分析了采空區(qū)側(cè)壓圍巖變形破壞機(jī)理,采用RFPA對(duì)1105工作面推采到200m、400m、600m時(shí)工作面巷道及煤柱變形破壞情況進(jìn)行分析,通過(guò)主應(yīng)力圖和聲發(fā)射圖以及不同推進(jìn)度時(shí)頂板下沉量、底板底鼓量、工作面?zhèn)让簬妥冃瘟亢兔褐鶄?cè)煤幫變形量,分析得到采空側(cè)壓和超前支承壓力增加幅度大是巷道圍巖變形量大主因。
關(guān)鍵詞:采空區(qū);側(cè)壓;穩(wěn)定性;變形破壞
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.090
臨近采空區(qū)開(kāi)掘的巷道會(huì)受到采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響,使得巷道在開(kāi)掘過(guò)程中出現(xiàn)強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)。巷道圍巖在側(cè)向支承壓力的作用下容易形成應(yīng)力集中區(qū),圍巖由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài),巷道圍巖出現(xiàn)變現(xiàn)破壞,容易出現(xiàn)冒頂、片幫、底鼓等災(zāi)害,影響礦井的安全生產(chǎn)。因此,對(duì)于采空區(qū)側(cè)壓影響下巷道圍巖變形規(guī)律的研究,確定影響巷道變形破壞的因素,分析圍巖變形破壞的規(guī)律,為礦井后續(xù)的支護(hù)工作提供理論基礎(chǔ),為工作面的安全回采提供保障。
1 工作面概況
1105工作面位于軌道下山以東;北側(cè)為已回采結(jié)束的1103工作面,中間煤柱為6m;南側(cè)及北側(cè)為實(shí)體煤。工作面主采1號(hào)煤層,平均厚度1.60m,平均傾角9°。1105工作面和1103工作面采空區(qū)之間僅有 6m煤柱,造成1105工作面在臨近大采空區(qū)的環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)采,因此1105工作面開(kāi)采時(shí)受采空側(cè)壓影響容易發(fā)生變形失穩(wěn)。
2 采空區(qū)側(cè)壓圍巖變形機(jī)理
當(dāng)工作面相鄰僅有一個(gè)采空區(qū)時(shí),上覆巖層斷裂的深度較小,工作面沿空側(cè)形成較小的懸臂結(jié)構(gòu),采空區(qū)上部巖層的力通過(guò)懸臂結(jié)構(gòu)向工作面沿空巷道一側(cè)轉(zhuǎn)移,由于巷道布置在低應(yīng)力的環(huán)境中,應(yīng)力增加的不明顯,暫時(shí)圍巖不會(huì)發(fā)生變形破壞;當(dāng)工作面相鄰有兩個(gè)或多個(gè)采空區(qū)時(shí),上覆巖層斷裂的深度大,工作面沿空側(cè)形成大的懸臂結(jié)構(gòu),采空區(qū)上部巖層的力通過(guò)懸臂結(jié)構(gòu)向工作面沿空巷道一側(cè)轉(zhuǎn)移,會(huì)造成大懸臂結(jié)構(gòu)的突然斷裂,應(yīng)力全部向巷道上部轉(zhuǎn)移,會(huì)發(fā)生巖層側(cè)向失穩(wěn)造成巷道圍巖變形破壞,其破壞機(jī)理如圖1所示。
圖中,G1增大,即巷道邊緣的巖層厚度增大,傳遞到巷道上的力增大,同等條件下,緩沉帶下降大,傳遞到巖層上的力增加。
式中:G1—轉(zhuǎn)移到懸臂結(jié)構(gòu)的力;
yn—巖層傳遞力;
Ki—采空區(qū)承載力。
當(dāng)相鄰有兩個(gè)(多個(gè))采空區(qū)時(shí),隨著開(kāi)采的進(jìn)行,上覆巖層破壞的深度越來(lái)越大,則yn不斷的增大,而Ki幾乎不會(huì)產(chǎn)生變化,造成懸臂結(jié)構(gòu)承載的力突然的增大,發(fā)生斷裂。當(dāng)側(cè)向懸臂結(jié)構(gòu)出現(xiàn)突然斷裂時(shí),造成應(yīng)力突變式增大,應(yīng)力轉(zhuǎn)移到巷道煤柱側(cè)的深度增大,應(yīng)力破壞范圍大,能量足,形成巷道失穩(wěn)變形破壞。
由圖2懸臂結(jié)構(gòu)未斷裂時(shí)支承壓力分布圖和懸臂結(jié)構(gòu)斷裂時(shí)支承壓力分布圖可以看出,當(dāng)懸臂結(jié)構(gòu)斷裂,應(yīng)力突變?cè)龃?,影響范圍變大,峰值范圍變大,使巷道處于高?yīng)力區(qū),從而對(duì)巷道產(chǎn)生破壞。
3 采空區(qū)測(cè)壓影響范圍數(shù)值模擬
3.1 模擬方案
采用RFPA對(duì)1105工作面推采到200m、400m、600m時(shí)側(cè)向支承壓力及巷道圍巖變形進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)對(duì)主應(yīng)力、聲發(fā)射和應(yīng)力分布曲線和巷道圍巖變形曲線的總結(jié)和研究,分析工作面推采到不同距離時(shí)軌道順槽應(yīng)力及巷道變形情況。以1105工作面地質(zhì)條件設(shè)定材料參數(shù)建立50 m×50 m×40 m模型,模型垂直方向施加5MPa載荷,材料參數(shù)如表 1 所示。
3.2 模擬結(jié)果分析
圖3為1105工作面推采到200m、400m、600m時(shí)工作面巷道及煤柱變形破壞主應(yīng)力圖和發(fā)射圖。
由圖3可知,隨著工作面向前推進(jìn),巷道圍巖由于應(yīng)力集中開(kāi)始出現(xiàn)變形破壞。根據(jù)工作面推采到200m時(shí)主應(yīng)力圖可知,集中應(yīng)力主要出現(xiàn)在煤柱和巷道兩側(cè),隨著時(shí)間的推移,煤柱兩側(cè)集中應(yīng)力變小,其主要原因是工作面推采導(dǎo)致煤柱變形破壞,應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移。根據(jù)聲發(fā)射圖可知,聲發(fā)射主要出現(xiàn)在煤柱內(nèi)和靠近煤柱側(cè)巷道底板,隨著時(shí)間的推移,聲發(fā)射逐漸減小,說(shuō)明工作面向前推采導(dǎo)致煤柱和巷道底板出現(xiàn)圍巖變形破壞的現(xiàn)象,其主要變形為巷道出現(xiàn)底鼓和煤柱側(cè)幫內(nèi)移。
由圖可知,隨著工作面推進(jìn)距離的增大,巷道主應(yīng)力和聲發(fā)射破壞程度和影響范圍增大。但是其變形破壞規(guī)律與工作面推采到200m時(shí)相似,煤柱和巷道底板出現(xiàn)變形破壞情況。
4 不同推采度巷道及煤柱變形破壞分析
表2為采用RFPA模擬軟件模擬2309工作面推采到200m、400m和600m時(shí)軌道順槽變形量數(shù)據(jù)表。
由表2可知,工作面推采到200m、400m和600m時(shí),軌道順槽頂?shù)装搴蛢蓭途霈F(xiàn)了較大變形,并且以底板底鼓和兩幫移近為主,其中煤柱側(cè)煤幫變形量和煤柱側(cè)底板底鼓最為嚴(yán)重。其中400m處頂板下沉量、底板底鼓量、工作面?zhèn)让簬妥冃瘟亢兔褐鶄?cè)煤幫變形量分別是200m處的1.27倍、1.30倍、1.23倍和1.24倍;而600m處頂板下沉量、底板底鼓量、工作面?zhèn)让簬妥冃瘟亢兔褐鶄?cè)煤幫變形量分別只是400m處的1.02倍、1.04倍、1.02倍和1.04倍。
5 結(jié)論
(1)以1105工作面為研究對(duì)象,分析了采空區(qū)側(cè)壓圍巖變形破壞機(jī)理,工作面沿空側(cè)形成大的懸臂結(jié)構(gòu),容易形成應(yīng)力集中,當(dāng)集中的應(yīng)力突然釋放會(huì)造成巖層側(cè)向失穩(wěn)造成巷道圍巖變形破壞。
(2)采用RFPA對(duì)1105工作面推采到200m、400m、600m時(shí)工作面巷道及煤柱變形破壞情況進(jìn)行分析,得出巷道不同推采度時(shí)巷道圍巖變形破壞應(yīng)力圖。并通過(guò)不同推進(jìn)度時(shí)頂板下沉量、底板底鼓量、工作面?zhèn)让簬妥冃瘟亢兔褐鶄?cè)煤幫變形量,分析得到采空側(cè)壓和超前支承壓力增加幅度大是巷道圍巖變形量大主因。
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作者簡(jiǎn)介:智國(guó)軍(1988-),男,山西大同人,本科,助理工程師,技術(shù)主管,從事巷道掘進(jìn)技術(shù)管理工作。