永定莊礦沿空留巷數值模擬研究

帥鑫民

(同煤集團永定莊礦，山西 大同 037003 )

1 工程背景

永定莊礦評價埋深568 m，設計產能4 Mt/a，位于山西大同馬興鷗村，高瓦斯礦井，且頂板堅硬、難以管理。永定莊礦基于高瓦斯通風需求與降低巷道圍巖應力的目的，現計劃將W1318工作面留巷巷道作為W1319進風順槽使用，并在距離留巷巷道35 m處掘進W1319回風順槽，實施無煤柱開采。具體巷道位置見圖1。

永定莊礦W1318工作面頂底板及煤層取樣測試后，巖(煤)體力學性能測試結果匯總如表1所示。

圖1 巷道位置布局

表1 巖石力學參數表

2 綜放沿空留巷過程中上覆巖層力學機理研究

W1319工作面回采之前，相鄰的W1318工作面頂板已形成“O-X”斷裂結構，此類頂板結構隨著采場周期來壓后，采空區垮落物與基本體聯合組成具有一定時效穩定性的的梁體結構，如第96頁圖2所示。

“O-X”斷裂與基本頂、直接頂、煤層三者的厚度，還與煤層附近巖層巖性有關，如力學性質、容重等，同時與埋深、采高也有一定關系[1-3]。

建立W318沿空留巷建立模型示意圖如第96頁圖3所示。

圖2 “O-X”型破斷形式平面圖

圖3 沿空留巷基本側向頂板破斷模型示意圖

巖塊B主要由三部分構成：1) 基本頂側向斷裂長度D，此處為原有巷道上方基本頂在采空區側向斷裂長度；2) 巖塊自身厚度h；3) 塊體沿工作面推進方向的長度L[4]。D可用公式(1)計算。

(1)

式中，L為計算求得的來壓步距，m；h為基本頂巖層的厚度，m。

構建巖塊B側向懸臂梁長度力學模型，見圖4。

圖4 側向懸頂懸臂梁力學模型

模型頂板為均布載荷q1，AB懸桿上分布實體煤幫載荷σy，支護阻力P2作用在x0(s

(2)

(3)

式中：P0為煤幫支護強度，Pa；φ0為內摩擦角，(°)；A1為側壓系數；λ為上容重，N/m3；k為應力集中系數；H為埋深，m；m為采高，m；C0為黏聚力，Pa。

測點A處計算見式(4)～式(5)。

∑M=0

(4)

(5)

由此可得式(6)。

(6)

其中，M′計算見式(7)～式(8)。

(7)

(8)

變形得式(9)。

(9)

式中：Rt為抗拉強度，Pa；h為直接頂厚度，m。

充填體支護強度P1與直接頂懸頂長度l關系見式(10)。

(10)

由式(10)可見，懸臂梁l的長度越大，所需巷旁阻力越大，可通過切頂卸壓完成減小l進而減小P1。

將W1318與1319相關參數代入式(10)求得懸頂長度l低于8.63 m。

3 數值模擬

FLAC軟件可以很好地基于真實地質狀況，模擬圍巖在不斷開挖與施工中的各種狀況，現對永定莊礦W1319工作面使用FLAC軟件進行建模，分析W1319進風巷道在沿空留巷過程中，圍巖應力、變形與塑性區分布狀況[5-6]。

3.1 數值模型建立

建立數值模擬可以研究不同時期(如第97頁圖5)掘巷、W1318回采、W1319回采時期W1319進風順槽的應力、位移與塑性區變化狀況，依據現場情況建立220 m×120 m×38.52 m的模型，上部施加10.52 MPa載荷代替上部巖層，位移約束其余邊界，采用摩爾-庫倫準則模型，模擬對所需W1319進風順槽巖石力學參數如表2所示。

圖5 沿空留巷多次擾動示意圖

表2 數值模擬巖石力學參數表

3.2 模擬結果分析

3.2.1 未受擾動期間

W1319進風順槽附近區域在未受擾動期間的垂直應力分布狀態如圖6所示。

圖6 未受擾動期間垂直應力

由圖6可知，W1319進風順槽所在巖層未受采掘擾動時垂直應力峰值為10.63 MPa，大多數區域處于原巖應力區且應力分布較為均勻，此時即為原巖應力，研究W1319進風順槽分別再掘巷、一次回采、二次回采巷道圍巖與此時應力對比，可直觀分析出不同時期W1319進風順槽所受應力大小。

3.2.2 掘進影響期間

掘巷后，得W1319進風順槽附近區域應力云圖、位移云圖和塑性區云圖如圖7所示。

圖7 掘進期間

根據上述模擬效果可知：

1) 掘進期間W1319進風順槽巷道頂板6.5 m處圍巖應力開始降低，垂直應力最大值為19.3 MPa。

2) 掘進期間巷道頂板塑性區深度3 m，兩幫塑性區深度為2.7 m。

3) 掘進期間巷道頂板下沉量77 mm，最大底鼓量為34 mm，巷道煤柱幫移進量為60 mm。

3.2.3 W1318工作面回采影響期間

一次回采且應力穩定后，得W1319進風順槽應力云圖、位移云圖和塑性區圖如圖8所示。

圖8 W1318工作面回采影響期

1) 煤層超0.5 m處為應力降低區，最大范圍在3 m內，煤幫5 m～8 m范圍應力集中，一度達31.3 MPa，為原巖應力2.94倍。

2) W1319工作面的回采導致W1319進風順槽圍巖塑性區范圍發生了很大的變化，W1319回風順槽幫部塑性區范圍達到6.5 m左右，位于側向支撐壓力峰值外側0.5 m左右。

3) 巷道頂板下沉量達500 mm，底鼓量為85 mm，煤柱幫移進量多達400 mm，其中，煤柱幫部0 m～3 m附近整體位移量為400 mm。

3.2.4 W1319工作面回采影響期間

二次采動后W1319進風順槽附近區域應力云圖、位移云圖和塑性區云圖如圖9所示。

1) 可見煤柱一側應力集中，最大達29.1 MPa，

圖9 W1319工作面回采期間

巷旁支護體頂端應力集中，達31.5 MPa，柔模支護體頂端應力31.5 MPa。柔模頂部集中應力最高達到57 MPa，是原巖應力的4.7倍。

2) 煤柱幫塑性區深度在6.5 m，相應塑性區范圍進一步擴大，范圍從巷道頂板一直延伸到上部圍巖深部。

3) W1319進風巷道頂板下沉量達515 mm，煤柱幫移進量413 mm，W1319進風巷道變形量不大。

采取無煤柱開采后，W1319進風巷道在一次掘巷、W1318一次回采、W1319二次回采時巷道圍巖變形總體都不大，滿足正常生產需求，故采用無煤柱開采可行。

4 結論

1) 構建了沿空留巷力學模型，分析可知W1319進風巷道厚硬頂板條件對沿空留巷非常不利。計算得懸頂長度小于8.63 m，這表明懸臂的初次作用在W1319進風巷道的圍巖上。

2) 模擬了W1319進風順槽在不同時期：掘巷、一次采動、本工作面二次擾動的應力回采工程中應力、位移與塑性區變化。

3) W1319進風順槽在掘巷時所受圍巖應力較小，但在二次擾動后回采時巷道變形量：頂板下沉量515 mm左右，煤柱幫移進量413 mm左右，巷道總體變形量不大，可采用無煤柱開采。