復(fù)合頂板條件下沿空留巷力學(xué)參數(shù)研究

顏秉超，韓 春，張貴銀，徐寧輝，孫 路

（1. 山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2. 山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

復(fù)合頂板條件下沿空留巷力學(xué)參數(shù)研究

顏秉超1，韓 春2，張貴銀2，徐寧輝2，孫 路2

（1. 山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2. 山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

以軍城煤礦31203復(fù)合頂板薄煤層綜采工作面為工程背景，在復(fù)合頂板綜采工作面采用無煤柱護(hù)巷技術(shù)基礎(chǔ)上，建立了沿空留巷圍巖力學(xué)模型，對(duì)巷旁支護(hù)阻力、切頂力學(xué)參數(shù)、頂板下沉量等進(jìn)行理論計(jì)算，并采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了復(fù)雜頂板條件下薄煤層大斷面沿空留巷力學(xué)參數(shù)，研究成果可為軍城煤礦復(fù)合頂板條件下薄煤層大斷面沿空留巷提供理論依據(jù)。

復(fù)合頂板；薄煤層；大斷面；沿空留巷；力學(xué)模型

1 引言

沿空留巷就是工作面采煤后，沿采空區(qū)邊緣維護(hù)原回采巷道，這種方法與留煤柱護(hù)巷相比，不僅可以減少區(qū)段煤柱損失，還可以大量減少巷道掘進(jìn)工程量。沿空留巷的成功是煤礦開采技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大變革，無論是在經(jīng)濟(jì)效益上、還是在礦井高效生產(chǎn)方面，都有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。［1］山東東山軍城能源開發(fā)有限公司軍城煤礦31203工作面為復(fù)合頂板薄煤層綜采工作面，其平均煤厚為1.2m。在該復(fù)雜地質(zhì)條件下如何降低煤層開采中的萬噸掘進(jìn)率，協(xié)調(diào)好采掘接續(xù)及安全高效生產(chǎn)成為當(dāng)下軍城煤礦的重要問題。

31203綜采面主采12下煤，為較穩(wěn)定煤層，均厚1.2m，傾角0°～16°，無結(jié)核，局部含一層夾矸，夾矸巖性為砂質(zhì)泥巖，厚度為0.05m。煤巖層總體形態(tài)為一向西北傾伏的簡(jiǎn)單的單斜構(gòu)造，傾角0°～16°。工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，工作面以東有DF8斷層，其中正斷層6條，逆斷層2條，落差大于1.5m的有3條，其中4#斷層落差為6m。

2 沿空留巷圍巖力學(xué)分析

2.1 力學(xué)模型的建立

以往建立的沿空留巷圍巖控制模型，在研究“支護(hù)——圍巖”相互作用關(guān)系時(shí)，一般只考慮巷旁支護(hù)與頂板巖層，忽視了巷幫煤體支承對(duì)巷道穩(wěn)定的重要性，并且在大結(jié)構(gòu)的形成及其穩(wěn)定性的影響方面考慮不夠。根據(jù)基礎(chǔ)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外各礦井采用的沿空留巷，建立沿空留巷巷旁充填圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型［2］，如圖1所示。

圖1 沿空留巷力學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 巷旁支護(hù)阻力計(jì)算

由上述沿空留巷力學(xué)模型可知，要以頂板巖梁的斷裂下沉為依據(jù)來計(jì)算巷旁支護(hù)阻力。如圖2所示，考慮巷旁充填體作用的頂板載荷懸臂梁模型（其中 —工作面長(zhǎng)度， —周期來壓步距）。在圖2(a)中取寬度為一單位的樣條塊段，通過理論來計(jì)算沿空留巷巷旁支護(hù)阻力，所取的樣條如圖2(b)所示［3］，力學(xué)模型求解如圖2。

圖2 沿空巷旁支護(hù)阻力計(jì)算模型

根據(jù)彈塑性力學(xué)中的力矩平衡法對(duì)圖2中各段進(jìn)行求解，設(shè)頂板均布載荷為q，從巷道上方直接頂巖層開始計(jì)算，考慮巖層的自重載荷和擾動(dòng)系數(shù)k，其巷旁支護(hù)阻力求解F1公式為［4］：

其中：F1為巷旁支護(hù)阻力，Mp1為巖層極限彎矩，F(xiàn)N1為巖層破斷產(chǎn)生向下的剪力，MA1為巖層抗彎彎矩［5］。

通常公式可簡(jiǎn)化為：

2.3 切頂力計(jì)算

將巷道沿空一側(cè)的頂板看作是一懸臂梁結(jié)構(gòu)，并且把頂板的作用力簡(jiǎn)化成為均布載荷的作用，如圖3所示。為了能夠在巷道沿空側(cè)有效切頂，切頂力PC必須滿足如下力學(xué)條件：

式中，P1為直接頂與基本頂處于連續(xù)接觸，但基本頂對(duì)直接頂作用力qE=0。

圖3 切頂力學(xué)模型

頂板的極限抗拉強(qiáng)度為：

其中，q為等效頂板載荷集度，m為有效抗彎厚度值， 為實(shí)際抗拉強(qiáng)度，qE為基本頂對(duì)直接頂施加荷載［7］。

代入數(shù)據(jù)得沿空切頂線所需單位寬度的支護(hù)切頂力為：

2.4 最大頂板下沉量計(jì)算

對(duì)頂板下沉量按老頂來壓完成時(shí)計(jì)算，留巷頂板側(cè)向結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 沿空留巷力學(xué)模型圖

基本頂來壓完成時(shí)，導(dǎo)致沿空側(cè)LK處的最大頂板下沉量△h為［8］：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及模擬結(jié)果分析，基本頂斷裂線超前煤壁約2m左右，即x0=2m。將巷道寬度La=3.4m、巷道高度h=3.2m、KA=1.3、mZ=2.01m、LEZ=35.0m代入式（5）得：

3 模型的建立

3.1 模型尺寸與邊界條件

把煤層傾向設(shè)為正x方向；煤層走向設(shè)為正y方向；以鉛直向上為正z方向。按照本坐標(biāo)系規(guī)定，計(jì)算模型沿x軸方向的長(zhǎng)度為180m，工作面長(zhǎng)度110m；y方向的長(zhǎng)度約為150m，沿z軸方向的高度為50m。

邊界條件：頂面為應(yīng)力和位移自由邊界，向下施加垂直應(yīng)力；底面為x、y、z全約束，四個(gè)側(cè)面則為法向約束，x-z平面模型示意圖如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型示意圖（x-z平面）

3.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時(shí)，應(yīng)充分考慮計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)研究需要，將模型中沿空留巷圍巖部分網(wǎng)格劃分尺寸小一點(diǎn)；剩余部分可適當(dāng)加大尺寸，這樣可減少計(jì)算量，加快程序運(yùn)行。劃分的網(wǎng)格，其形狀應(yīng)規(guī)則。模型中的結(jié)構(gòu)單元類型選取為8節(jié)點(diǎn)六面體單元，單元總數(shù)為58000個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為59586個(gè)。建立的三維計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

3.3 數(shù)值模擬參數(shù)選取

將該礦以往所做的煤巖體力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)所得具體的力學(xué)參數(shù)列入表1。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)表

3.4 計(jì)算過程與模擬方案

計(jì)算模型采用理想彈塑性本構(gòu)模型，材料服從摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則，模擬過程為：模型在自重荷載條件下達(dá)到原巖應(yīng)力平衡→巷道開挖和支護(hù)→工作面推進(jìn)巷旁充填→設(shè)置測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)應(yīng)力、位移等參數(shù)→工作面推進(jìn)150m，分30次連續(xù)推進(jìn)，每次推進(jìn)5m。

3.5 模型結(jié)果分析

工作面未開挖時(shí)、開挖20m時(shí)、開挖60m時(shí)圍巖塑性區(qū)如圖7。

s shheeaarr--np t ension-n shear-p tension-p shear-p tension-p提供理論基礎(chǔ)。t teennssiioonn--nn s tehnesaior-np- ptension-p tension-p

圖7 工作面未開挖、開挖20m及開挖60m時(shí)圍巖塑性區(qū)

由圖7可以看出沿空留巷期間巷道圍巖變形具有如下特點(diǎn)：①圍巖未受擾動(dòng)時(shí)兩幫的圍巖已經(jīng)產(chǎn)生部分塑性變形；向前推進(jìn)10m后，巷旁矸石充填部分圍巖變形較為嚴(yán)重，工作面推過10～40m之間，圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化較大，兩幫開始出現(xiàn)明顯的變形，且變形速度加快，工作面推過40m后，巷道進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的階段，兩幫變形速度降低；工作面推到一定距離以后，煤體仍有一定素的的微小變形，但整體影響不大。

4 結(jié)論

（1）通過彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)理論研究，建立了沿空留巷力學(xué)模型，分析了巷旁支護(hù)力、切頂力、頂板下沉量等力學(xué)參數(shù)，研究了沿空留巷巷道圍巖變形與破壞規(guī)律，為軍城礦薄煤層大斷面的留巷工作

（2）從留巷頂板受力從采動(dòng)覆巖側(cè)向支承壓力分布及工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律入手，以“巖梁運(yùn)動(dòng)為中心”的礦壓內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)理論分析了沿空留巷圍巖應(yīng)力分布及頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律并對(duì)頂板下沉量做了預(yù)測(cè)。

（3）通過數(shù)值模擬分析，應(yīng)用有限元程序（FLAC）來模擬巷旁充填矸石帶和不同巷旁充填矸石帶寬度對(duì)沿空留巷頂板壓力影響及變化情況，為沿空留巷參數(shù)的確定提供了理論依據(jù)。

［1］劉崇凌. 薄煤層膏體巷旁充填沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 青島:山東科技大學(xué), 2010.

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Research on the Mechanical Parameters of Gob-side Entry Retaining under the Condition of Composite Roof

YAN Bing-chao1, HAN Chun2，ZHANG Gui-yin2, XU Ning-hui2, SUN Lu2
（1.Shandong Province Metallurgical Engineering Co., Ltd, Ji'nan, Shandong 250101, China; 2. Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China）

This article established the mechanical model of surrounding rock about gob-side entry retaining and calculated of support resistance, cutting off resistance and roof convergence, with the 31203 full-mechanized working face under composite roof with thin coal seam in the Military City Coal Mine as the engineering background, based on adopting the technology of roadway refused protection coal pillar. Also the mechanical parameters is studied through the numerical simulation software FLAC3D, and the research results could provide theoretical basis for gob-side entry retaining under the condition of composite roof with thin seam and large section in the Military City Coal Mine.

composite roof ; thin seam; large section; gob-side entry retaining; mechanical model

TD353

A

1009-3842（2015）01-0056-04

2011-02-16

顏秉超（1983-），男，山東濟(jì)南人，本科，主要從事采礦方面的研究。E-mail: yanbch1007@163.com