綜采工作面過空巷圍巖應力及控制研究

康凱

摘 要：針對綜采面過空巷礦壓顯現的問題，以馬蘭礦為研究背景，利用數值模擬軟件對綜采面過空巷圍巖應力及塑性區進行分析，得出空巷煤柱的最合理寬度為20m，且對煤柱寬度20m時，不同充填體強度下圍巖應力進行了研究，發現充填體強度選擇4MPa時，工作面可以實現快速且安全過空巷。為工作面過空巷提供一定的借鑒。

關鍵詞：綜采工作面;空巷;圍巖應力;數值模擬

1 前言

綜采工作面過空巷一直困擾著礦山開采，一方面在工作面過空巷的過程中，距離空巷越近，基本頂的折斷越容易發生，從而造成巷道頂板的下沉，導致礦壓顯現。另一方面在工作面和空巷進行貫通時，巷道會出現冒頂事故，造成壓垮支架的事故。所以對工作面過空巷圍巖的穩定性進行研究是十分有必要的。此前，黃衡為了解決工作面過空巷礦壓顯現的問題，通過結合礦山地質情況提出頂板支護技術，后期施工驗證了支護技術的可行性，保證了礦壓的平穩。于軍杰等利用數值模擬軟件對工作面過空巷圍巖的穩定性進行研究，研究表明采用密集支柱、超高水材料充填及錨網索支護可以有效的降低圍巖應力，保證礦山的穩定性。徐青云等針對過空巷時冒頂，易造成壓架的事故等問題，通過建立空巷力學模型面對空巷頂板穩定機理進行研究，并利用數值模擬軟件對工作面過空巷所需的支護阻力進行模擬，保證了礦山的正常生產。尹超宇等對工作面過空巷圍巖的失穩進行研究，通過彈性薄板理論對基本頂斷裂形式進行分析，并利用數值模擬對工作面過空巷基本頂的塑性變形進行分析，為治理圍巖變形提供依據。本文利用FLAC-3D對工作面過空巷圍巖的運移規律及塑性區變化進行分析，為工作面過空巷技術提供借鑒。

2 圍巖應力及塑性區分布研究

根據馬蘭礦的地質條件可知，馬蘭礦煤層直接頂、基本頂及老頂等均是由厚度不一的巖層組成，模型長寬高的建立尺寸分別為120m、120m和62.8m。模型采用摩爾庫倫準則，對模型巖石的力學參數進行設置，根據實際地質可知，煤層的厚度為4.7m，基本頂厚度為19.82m、直接頂為3.85m。巷道圍巖的變形主要是由于應力加載產生的，空巷的圍巖變形主要是煤柱變形及頂底板及兩幫變形，以此來達到煤柱的最合理寬度。首先為了對比不同個煤柱寬度下垂直應力的分布規律，本文對煤柱寬度20m、10m及5m進行分析。計算模型的垂直應力分布圖如1所示。

從不同煤柱下空巷的垂直應力分布圖可以看出，煤柱的尺寸從20m降低至5m的過程中，空巷的右幫應力較為穩定。由于工作面的超前開挖超前支撐壓力使得在工作面前端的煤柱處于應力的增高狀態，當空巷的煤柱的寬度大于20m時，此時巷道的垂直應力分布較為穩定，當巷道煤柱寬度10m時，此時的巷幫出現應力集中，應力集中位置為巷道的左幫，但應力集中的程度較低，當煤柱寬度降低至5m時，此時的應力集中程度增加，應力集中向著空巷開始轉移。所以當煤柱寬度大于20m時，此時可以看做為超前支撐壓力影響較弱區域，當煤柱寬度降低至10m時，此時可以看做為超前支撐壓力影響一般區域，當煤柱寬度大于5m時，此時將其看做為超前支撐壓力影響較大區域。

同時對煤柱塑性區的分布情況進行分析，煤柱塑性區可以有效的分析出煤柱處于彈塑性區域的范圍。當煤柱處于塑性區時，此時可將煤柱視為煤柱處于壓垮狀態，煤柱僅存在一定的殘余強度，隨著煤柱彈性區尺寸進一步減小，煤柱發生最終的失穩變形，發生安全事故。煤柱寬度20m、10m及5m的塑性分布圖如2所示。

可以看出，當煤柱寬度為20m時，此時的煤柱中間部位出現彈塑性區共存區，在空巷兩幫的圍巖塑性區無明顯的變化，空巷的上端巖層無明顯的塑性變化。當煤柱的寬度減小至10m時，此時的煤柱的彈性區范圍明顯減小，煤柱幾乎完全由塑性區組成，煤柱上端部的巖層也在逐步向著塑性轉化，隨著煤柱寬度降低至5m，此時的煤柱完全喪失承載性，煤柱上端部巖層完全向著塑性區變化，此時的煤柱明顯低于臨界寬度，基本頂出現超前的斷裂。

根據對模擬過程中空巷頂板和煤柱的變形進行統計記錄，當煤柱寬度為20m時，空巷的頂板下沉量最小為61mm，當煤柱的寬度降低至10m時，此時的頂板下沉量增大至173.7mm，當煤柱的寬度降低至5m時，此時的頂板下沉量最大為774.5mm。當煤柱寬度為20m時，空巷的煤柱兩幫移近量最小為36.3mm，當煤柱的寬度降低至10m時，此時煤柱兩幫移近量增大至105.3mm，當煤柱的寬度降低至5m時，此時煤柱兩幫移近量最大為556.5mm。

3 空巷圍巖控制研究

為了降低工作面過空巷造成的圍巖變形問題，選擇充填體來提升圍巖強度，僅選擇煤柱寬度為20m時進行分析，充填體強度選擇為2MPa、4MPa和6MPa。充填后垂直應力分布如圖3所示。

從圖3可以看出當煤柱寬度為20m時，隨著充填體的強度不斷增大，充填體受到的垂直應力逐步增加，煤柱受到的垂直應力逐漸減小，且隨著充填體強度的增大，巷道上部巖層受到的載荷也在逐步降低，下降的趨勢小于煤柱垂直應力下降的趨勢。同時對比充填體強度4MPa和6MPa時的垂直應力發現，充填體周圍巖體受到的垂直應力差距較小，所以充填體強度的極限值為4MPa，大于4MPa的提升效果較差。

4 結論

①通過對工作面過空巷圍巖應力及變形進行數值模擬研究發現，煤柱的寬度大于20m時的，此時圍巖變形及煤柱變形處于穩定狀態;當煤柱寬度降低為10m時，此時巷道的圍巖變形及煤壁變形處于較大影響狀態，當煤柱寬度降低至5m時，此時的圍巖變形及煤柱變形處于影響劇烈狀態;②對空巷圍巖塑性區進行分析發現，煤柱寬度越小，煤柱塑性區范圍越大，煤柱的承載力逐步降低，且煤柱的臨界安全寬度為10m;③根據對不同充填強度下空巷的圍巖應力進行分析，發現當充填體強度小于4MPa時，圍巖應力大于充填體受到的應力，當充填體強度大于圍巖強度時，此時的圍巖變形較小，且充填體強度4MPa較為合適。