跨采对影响底板岩巷稳定性的数值分析.pdf

文章编 号1003- 5923200401- 0034- 03 跨 采 对 影 响 底 板 岩 巷 稳 定 性 的 数 值 分 析 郑百生,谢文兵,陈晓祥,高富强,康建东 中 国矿 业大学 ,江 苏 徐州 221008 摘 要针对柴里煤矿实用三条上山在采区中的特殊位置,采用数值模拟方法,具体分析了跨采对底板岩 巷围岩稳定性的影响因素,确定在中等稳定岩层中,只受跨采工作面采动影响的岩巷,其与上部煤层之间较为 有利的垂直距离。 关键词跨采;稳定性;数值分析 中图分类号T D 322.4 文献标识码A 1 跨采巷道概况 柴里煤矿二水平三条上山即南轨道上山、 南胶 带上山和回风上山是二水平未来几十年开采的主 要咽喉通道。三条上山的断面为直墙半圆拱型,净 宽 4600 mm,净高 3700 mm,三条上山原支护均为 Φ 14 圆钢锚喷支护。三条上山沿二灰标志层布置, 距离上部开采 3 煤 15～23 m,开采分 3上和 3下两 次开采,三条上山均受上方煤层开采的影响,但由 于巷道与上方工作面相对位置、 有无留设保护煤柱 以及跨采方式等的不同,巷道受到的采动影响程度 及巷道围岩变形差别很大。 2 巷道变形特征 采区上下山从开掘到报废,由于采动影响, 围岩应力重新分布,巷道围岩变形会持续变化和增 长。 巷道服务期间的围岩变形量 U[1]可以表示为 u u0 v0t0Σ n i uiΣ n i viti1 式 中 u0 开掘上下山引起的附加变形量, mm; v0掘巷后稳定期间围岩的平均变形速 度,mm/d ; t0掘进后稳定期间所经历的时间,d ; ui 上下山第 i 次受回采影响引起的 附加变形量,mm; vi 第 i 次采动后稳定期间围岩的平均 变形速度,mm/d ; ti第 i 次采动后稳定期间的时间,d ; n采动影响次数。 对于柴里矿两条试验巷道,围岩变形将经过掘 巷期间明显变形,然后趋向稳定,一翼采动影响期 间显著变形,然后又趋向稳定,以及另一翼再次采 动影响期间强烈变形,再次趋向稳定六个时期。 在地质条件相同的情况下,上下山在各种布 置方式中,受回采影响之前的围岩变形 u0值和 v0 值均相同。而 ui ,v i则与工作面的跨采方式密切相 关。一般来说,留设保护煤柱及上下山后跨采,ui 值比上下山先跨采的布置方式要小,vi值则要稍 大。上下山后跨采后,由于其上方煤柱支承压力 叠加,上下山的围岩变形量会显著增加。随着工 作面临近,煤柱宽度日益减小,围岩变形将急剧增 加。 它的比上下山先跨采的 ui要大。 生产实践表 明,在煤柱下的底板岩层内,不仅位于应力增高区 内的巷道很难维护,有时位于应力降低区内的巷道 维护也很困难。开采厚煤层时,在上分层采空区下 降压区的中、 下分层巷道,若位于上分层两侧采 空的煤柱附近,巷道维护也十分困难。对于这样的 巷道如何进行支护,首先必须搞清这类巷道的位移 变形特点。 3 数值模拟 为了弄清 这类巷道的变形特点,采用 FLA C 软件建立相应的数值模型来进行分析。 3.1 模型的建立 一般情况下,巷道支护方面的问题,可简化为 平面应变问题 [2 ],假设巷道截面位于 XY 平面内, 收 稿日 期2003- 02- 24 作 者简 介U郑百生 1979- ,男,2002 年毕业 于中 国矿业 大学 ,现 攻读硕 士学 位。 43 2004.№ 1 矿山 压力与 顶板 管理 巷道轴向为 Z 轴。对于平面应变问题,满足条件 εz 0 根据上面的分析,建立相应的分析模型。采用应变 软化本构模型 [ 3- 4],模型采用由拉伸破坏修正的广 义的 D r u c k e r - Pr a g e r 屈服准则,即 fspt a n Φq c o s θ s i n θ 3 t a n Φ -C ft p σt2 式中 C广义粘聚力; Φ 广义内摩擦角; θ L o d e 角; σt抗拉强度; p平均应力; q广义偏应力。 如图 1 所示,工作面开切眼位置分三种情况, 底板岩巷亦分左、 中、 右三种情况。 围岩物理力学性 质和边界条件按柴里矿南轨上山 2338 工作面的实 际情况确定,见表 1,并考虑了煤层直接顶、 直接底 的应变软化特性。 巷道与上部开采煤层之间的垂距 z 分 10 m、 15 m、 20 m三种情况。 由图可以看出,若巷道位于中间位置,则巷道 中心线与煤柱边缘Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ的水平距离分别为左 20 m、 0、 右 20 m。工作面开采方向是自煤柱边缘 Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ向左开采。 为了分析开采对巷道围岩稳定 性的影响,分别在巷道顶、 底、 左帮和右帮四个位置 设立了相应的位移监测点,见图 1。 表 1 围岩的物理力学性质 岩 性 抗压 /M P a 抗剪 /M Pa C /M P a Φ / 密度 /k g m- 3 煤1395p281600 中砂 岩533215[.6362600 黑泥 岩231210302400 图 1 数值分析模型 3.2 底板岩巷的位移变形特征 图 2 是工作面边界分别位于Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ,巷道位 于中间位置,与煤层底板相距 10 m、 工作面向左开 采时,巷道围岩监测点的位移。 由图可以看出,上述 三种情况的一个共同特点就是右帮向左位移很大。 当工作面位于Ⅰ位置时,底板岩巷的变形主要表现 为顶板下沉和右帮向左的位移,左帮的位移和底鼓 量较小。当工作面位于Ⅱ位置时,与第一种情况相 比,右帮位移和底鼓量较大,顶板下沉量反而有所 减小,另外一个特征就是左帮也出现了较大的向左 位移量。当工作面位于Ⅲ位置时,除了右帮和底鼓 量很大外,顶板出现了较大的向上位移。当工作面 位于Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ三个不同位置,底板岩巷为什么会出 现上述位移特征呢 图 3a 、 b 、 c 分别是上述三种情况下煤层与直接 顶界面上垂直应力分布。由图可以看出,上述三种 情况下煤柱的支承压力分布形式形似。 正是由于工 作面与巷道相对位置关系不同,巷道围岩变形才出 现了上述特征。 而且底板岩巷对上覆工作面开采煤 柱上支承压力分布也产生一定的影响,如图 3a 、 b 上均有一个起伏点。对比图 2a 和图 3a 可以看出, 支承压力分布峰值点位于巷道的左侧,按照应力峰 值作用的位置,左帮的位移应该较大,但左帮的位 移并不大,而右帮的位移很大,这是为什么呢 图 4a 、 b 、 c 显示了上述三种情况下煤层开采后 煤柱周围的主应力分布。由图可以看出,工作面开 采后,随着围岩应力的变化,上覆岩层在煤柱边缘 上方的弯曲断裂,在煤柱边缘上方形成了应力集中 区。整个应力集中区向工作面侧倾斜,作用在巷道 上,致使巷道的右帮的位移和顶板的位移较大。煤 层与直接顶界面上的支承压力峰值虽位于巷道的 左帮,但整个应力集中区倾斜着作用于巷道,在应 力集中区的作用下,煤柱侧岩层有整体向采空区位 移的趋势。 由图 4b 、 c 可以看出,工作面开采后在煤柱上 覆岩层也形成了类似与第一种情况的应力集中区。 第二种情况下,虽然巷道位于煤柱边缘的正下方, 但底板岩巷对应力集中区的影响比第一种情况小 的多。正是由于这个应力集中区的作用,底板岩层 产生了整体向采空区位移的趋势,而且比第一种情 况更明显。受这种整体位移场的影响,巷道左帮的 位移不是向右,而是向左。 由图 4c 可以看出,由于岩层断裂弯曲形成岩 梁结构,煤柱边缘存在压不实的三角处。虽然巷道 位于采空区下,巷道围岩整体处于煤柱边缘的低应 力处,但巷道的位移并不小,主要原因是煤层开采 后,由于应力释放,底板岩层有整体向上位移的趋 势,再加上煤体边缘存在应力集中区,使煤柱边缘 的底板整体向采空区位移。 由图 2c 可以看出,巷道 53矿山 压力与 顶板管 理 2004.№ 1 图 2 巷道位移监测结果 a 停采 线位于 Ⅰ; b 停 采线 位于Ⅱ ; c 停采 线位 于Ⅲ 图 3 煤柱上方支承压力分布图 a 停采 线位于 Ⅰ; b 停 采线 位于Ⅱ ; c 停采 线位 于Ⅲ 图 4 煤柱周围的主应力分布 a 停采 线位于 Ⅰ; b 停 采线 位于Ⅱ ; c 停采 线位 于Ⅲ 顶底板的位移都向上,且位移较大,巷道右帮的位 移也较大。 这就是有时位于应力降低区内巷道维护 也很困难的原因。 在围岩应力由原岩应力场形成应 力集中区及支承压力区的过程中,引起围岩的位移 和变形。 正是由于这个原因,才出现了图 2 的结果, 这一位移相当于式1中的 u1。以后集中应力和支 承压力趋于稳定,并在其长期作用下,引起巷道产 生附加变形。 4 围岩稳定性分析 4.1 岩巷位置与其围岩稳定性的关系 根据上面分析结果,当底板岩巷距煤层垂距为 10 m、 巷道位于中间位置、 工作面向左开采时,岩 巷与工作面的水平距离为左 20 m、 0 m、 右 20 m。 此时,巷道围岩变形主要有两大共同特征一是右 帮的位移较大,二是巷道围岩的变形受制于应力重 分布过程中工作面围岩的位移。 在数值分析中,将巷道位置由中间变到右边, 也就是巷道距工作面的距离由 20m 增加到 40m 时,相应的图 2a 显示巷道处于应力增高区的外侧, 围岩的变形量减小了一半左右。图 2c 显示巷道围 岩的位移除左帮外普遍有较大减小,而左帮位移增 大后也不大。 对比巷道顶板距煤层底板距离分别为 15 m 和 20 m,其它条件与图 2b完全相同的情况。可以 得到,随着岩柱的增大,巷道对工作面周围应力集 中区的影响会愈来愈小。整体上看,随着岩柱厚度 的增大,围岩的变形逐渐减小,且巷道不均匀变形 的程度减小,如左、 右帮位移量的差减小。 4.2 支承压力迭加对巷道围岩稳定性的影响 当多个工作面开采支承压力迭加时,往往对巷 道围岩变形的影响较大。巷道围岩变形很难控制。 受上区段工作面开采形成的侧向支承压力影 响,考虑本工作面开采影响。 数值模拟中,在上边界 作用 2 倍的原岩应力、 工作面Ⅱ向左开采,围岩的 应力场分布和巷道位移的下转第 39 页 63 2004.№ 1 矿山 压力与 顶板 管理