两翼工作面采动影响下采区大巷围岩变形破坏特征_李阳.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 179No.1 2023总第179期2023年第1期引文格式引文格式：李阳,陈海亮,陈一凡,陈一凡,袁子晨.两翼工作面采动影响下采区大巷围岩变形破坏特征J.铜业工程,2023(1):106-112.两翼工作面采动影响下采区大巷围岩变形破坏特征李阳1，陈海亮2，陈一凡2，袁子晨2（1.内蒙古利民煤焦有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116）摘要：与单翼采区相比，两翼工作面开采能提高煤炭资源开采效率和巷道利用率，然而两翼工作面先后回采对采区大巷具有多次采动影响，易导致采区大巷围岩变形加剧，甚至破裂。本文通过数值模拟、理论分析和现场实测等方法，研究了内蒙古利民煤矿I0309采区大巷在两翼工作面顺序采动影响下的应力分布及变化特征，分析了采区大巷围岩大变形机理，确定了I030901工作面停采线合理位置，研究结果对两翼工作面开采采区大巷的稳定维护具有重要的参考价值。关键词：两翼开采；采区大巷；采动应力；数值模拟；变形机理；塑性破坏区doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.01.013中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）01-0106-071 引言埋深、地质构造、采掘活动是影响井下巷道稳定性的重要因素1-4，工作面布置方式、煤层回采顺序等也会对巷道围岩产生不同程度的影响5-7。苏克军8对近距离煤层开采回采巷道内错式、重叠式、外错式三种布置方式的优缺点进行了对比，并提出了内错式布置回采巷道具体位置的确定方法和原则。路琦等9研究了当工作面推进方向与沟谷走向平行时，不同工作面位置影响下沟谷区采动斜坡变形破坏特征，分析了斜坡位移分布规律、应力应变分布规律及斜坡变形破坏机理。张维10开展了两翼开采条件下大断面煤层巷道稳定控制技术研究，提出了“壁后注浆+巷道断面扩刷+永久支护+二次注浆加固”的修复加固技术。李树清等11采用相似材料模拟实验对重复采动条件下，采场覆岩位移、裂隙及应力分布与演化规律进行了研究。学者对不同工作面布置方式采场及巷道覆岩稳定性及控制技术进行了大量研究12-14，但对有关两翼工作面布置方式和采区巷道的变形机理少有研究。两翼开采是当前煤矿常用采区的布置方式，与单翼开采方式不同，两翼工作面依次回采会对中间大巷重复扰动，从而加剧巷道围岩的变形。内蒙古利民煤矿I0309采区大巷群布置于煤层中，大 巷 两 侧 分 别 为 I030904 及 I030901 工 作 面。I030904工作面回采后采区大巷已发生了大变形和局部破裂；预计I030901工作面的回采会引起采区大巷的大变形及破坏，将严重影响矿井安全、高效生产。因此，本文采用FLAC3D数值模拟软件对两翼工作面回采期间的采区大巷围岩应力分布特征进行仿真，并分析了采区大巷的变形机理，确定了I030901工作面停采线的合理位置。2 工程概况利民煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克旗境内，矿区面积7.9862 km2，井田位于桌子山煤田东南部，海拔标高一般在+1425+1350 m之间，最高点位于井田的中部，标高为+1424.20 m；最低点在井田的西部，标高为+1347.50 m，最大标高差 76.70 m。矿区内地形属高原侵蚀性丘陵地貌，地势总体为南高北低，大部分地区为低矮山丘，由走向北西南东的多个梁、凹组成。井田当前主采9#煤层，I030901工作面与I030904工作面分别布置在采区大巷两侧，煤层自然厚度为 2.205.12 m，平均厚度为3.50 m，倾角为56，开采区收稿日期：2022-11-04；修订日期：2022-12-24基金项目：国家自然科学基金项目（52074276）；大学生创新创业训练计划项目（202210290285H）资助作者简介：李阳（1990），男，内蒙古乌海人，本科，工程师，研究方向：煤矿生产技术，E-mail：域埋深250480 m，工作面及巷道布置情况如图1所示。2021年初，在I030904工作面回采至停采线附近时（停采线距离采区大巷40 m），I0309采区大巷发生了大变形及局部破裂；接续工作面I030901目前正在回采，受两翼工作面重复扰动的影响，预计采区大巷将会再次发生大变形及破坏，严重影响矿井的安全、高效生产。因此，有必要研究两翼工作面顺序回采对采区大巷稳定性的影响规律及防治对策。3 两翼工作面采动影响分析3.1数值模型基于内蒙古利民煤矿9#煤层及其顶底板岩层赋存情况，建立三维仿真模型，如图2所示。模型尺寸长宽高（XYZ）为 2000 m500 m261 m，其中X方向为煤岩层倾向，Y方向为煤岩层走向，Z方向为竖直方向。模型本构关系采用 Mohr-Coulomb破坏准则，为方便模型运行，在模型顶部施加3.85 MPa均匀载荷，代替上覆岩层负重。根据实验室力学参数测试结果及相应矿区地质资料数据，所建模型各煤岩层物理力学参数如表1所示。3.2围岩应力变化规律分析I030904工作面推进过程中，采区大巷围岩应力分布如图3所示。模型中，从左至右分别为回风巷、皮带巷及辅运巷，I030901工作面位于采区大巷的左翼，I030904工作面位于采区大巷的右翼。由图 3 可知，I030904 工作面开采前，采区大巷只受初始应力场作用，两帮峰值应力约9 MPa；I030904工作面开采后，受工作面采动影响，采区回风巷、皮带巷和辅运巷三条大巷两帮围岩应力增大。由于辅运巷和回风巷位于工作面停采线前方4070 m范围内，围岩峰值应力增大幅度较为显著，其应力最大值分别增大至 10.22 MPa，10.56 MPa，回风巷由于距离采动工作面较远，工作面开采产生的支承压力对巷道围岩影响相对较小，应力增大至9.65 MPa。I030901工作面回采期间大巷围岩应力分布如图 4所示，I030901工作面回采初期，由于工作面距离采区大巷较远，工作面采动应力对大巷围岩应力影响较小，所以采区回风巷、皮带巷及辅运巷三条大巷两帮峰值应力变化较小；当工作面临近采区大巷时，受采动影响，采区回风巷、皮带巷及辅运巷应力明显增大，峰值应力分别增大至 13.36 MPa，13.65 MPa，13.79 MPa。两翼工作面开采前后，各采区大巷的峰值应力对比如图5所示。对比I030904、030901工作面回采前后围岩峰值应力可知，与两翼工作面回采前相比，I030904工作面回采后，采区回风巷、皮图1工作面布置情况Fig.1Layout of Working Face图2利民煤矿三维数值仿真模型Fig.2Three-dimensional numerical simulation model of Limin Coal Mine106李阳等 两翼工作面采动影响下采区大巷围岩变形破坏特征2023年第1期域埋深250480 m，工作面及巷道布置情况如图1所示。2021年初，在I030904工作面回采至停采线附近时（停采线距离采区大巷40 m），I0309采区大巷发生了大变形及局部破裂；接续工作面I030901目前正在回采，受两翼工作面重复扰动的影响，预计采区大巷将会再次发生大变形及破坏，严重影响矿井的安全、高效生产。因此，有必要研究两翼工作面顺序回采对采区大巷稳定性的影响规律及防治对策。3 两翼工作面采动影响分析3.1数值模型基于内蒙古利民煤矿9#煤层及其顶底板岩层赋存情况，建立三维仿真模型，如图2所示。模型尺寸长宽高（XYZ）为 2000 m500 m261 m，其中X方向为煤岩层倾向，Y方向为煤岩层走向，Z方向为竖直方向。模型本构关系采用 Mohr-Coulomb破坏准则，为方便模型运行，在模型顶部施加3.85 MPa均匀载荷，代替上覆岩层负重。根据实验室力学参数测试结果及相应矿区地质资料数据，所建模型各煤岩层物理力学参数如表1所示。3.2围岩应力变化规律分析I030904工作面推进过程中，采区大巷围岩应力分布如图3所示。模型中，从左至右分别为回风巷、皮带巷及辅运巷，I030901工作面位于采区大巷的左翼，I030904工作面位于采区大巷的右翼。由图 3 可知，I030904 工作面开采前，采区大巷只受初始应力场作用，两帮峰值应力约9 MPa；I030904工作面开采后，受工作面采动影响，采区回风巷、皮带巷和辅运巷三条大巷两帮围岩应力增大。由于辅运巷和回风巷位于工作面停采线前方4070 m范围内，围岩峰值应力增大幅度较为显著，其应力最大值分别增大至 10.22 MPa，10.56 MPa，回风巷由于距离采动工作面较远，工作面开采产生的支承压力对巷道围岩影响相对较小，应力增大至9.65 MPa。I030901工作面回采期间大巷围岩应力分布如图 4所示，I030901工作面回采初期，由于工作面距离采区大巷较远，工作面采动应力对大巷围岩应力影响较小，所以采区回风巷、皮带巷及辅运巷三条大巷两帮峰值应力变化较小；当工作面临近采区大巷时，受采动影响，采区回风巷、皮带巷及辅运巷应力明显增大，峰值应力分别增大至 13.36 MPa，13.65 MPa，13.79 MPa。两翼工作面开采前后，各采区大巷的峰值应力对比如图5所示。对比I030904、030901工作面回采前后围岩峰值应力可知，与两翼工作面回采前相比，I030904工作面回采后，采区回风巷、皮图1工作面布置情况Fig.1Layout of Working Face图2利民煤矿三维数值仿真模型Fig.2Three-dimensional numerical simulation model of Limin Coal Mine107总第179期铜业工程Total 179带巷及辅运巷巷道围岩峰值应力分别增大了6.27%，12.80%，16.94%；I030901 工作面回采后，采区回风巷、皮带巷及辅运巷巷道围岩峰值应力分别增大了46.65%，50.66%，52.71%。I030901工作面回采期间，采区大巷围岩峰值应力增长剧烈，主要原因是两翼工作面回采的采动影响对采区大巷具有叠加效应，导致采区大巷围岩峰值应力在两翼工作面回采结束后显著增大。3.3围岩塑性区变化特征分析受采掘影响，巷道周边围岩将形成塑性区、弹性区和原岩应力区，其中塑性区的深度及范围能够 直 观 反 映 巷 道 围 岩 的 稳 定 程 度。图 6 为I030904、I030901工作面开采前后采区回风巷、皮带巷及辅运巷塑性区分布图。表1模型各层煤岩物理力学参数Table 1Physical and Mechanical Parameters of Coal and Rock in Each Layer of the Model煤岩层名称砂质黏土岩细砂岩粉砂岩粗砂岩泥岩碳质泥岩9煤碳质泥岩砂质黏土岩中砂岩泥岩砂质泥岩模型层厚/m1082324426245弹性模量/GPa2.66.338.299.845.813.853.13.852.66.595.814.42剪切模量/GPa2.23.574.26.632.272.820.822.822.22.52.273.12体积模量/GPa2.66.255.67.354.394.641.734.642.64.374.394.9泊松比0.230.280.210.200.280.210.260.210.230.210.280.22内摩擦角/3331.438452731203133372734内聚力/MPa2.517.16.25.34.93.180.183.182.514.234.93.5抗拉强度/MPa1.313.323.54.841.82.340.642.341.313.451.82.25密度/（kg/m3）208025502630269025702200141022002080265525702520图3I030904工作面回采期间巷道围岩应力分布（a）回采前；（b）推进100 m；（c）推进464 mFig.3Stress distribution of roa