沿空留巷巷旁支護(hù)充填加固技術(shù)數(shù)值模擬研究

張寶君

（山西焦煤山煤國(guó)際霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046600）

隨著煤炭開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)得到較廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)不但可以提高煤炭采出率，而且減少回采巷道的掘進(jìn)量，大大縮短了工作面接替時(shí)間，對(duì)煤炭實(shí)現(xiàn)安全高效開采具有重要的意義[1]?；魻栃梁彰旱V3 號(hào)煤層3501工作面開采即采用無(wú)煤柱沿空留巷技術(shù)。沿空留巷旁支護(hù)充填體的穩(wěn)定性對(duì)沿空留巷具有關(guān)鍵的影響作用[2]，因此，采用數(shù)值模擬方法對(duì)巷旁充填體不同參數(shù)條件下巷道受力及變形規(guī)律進(jìn)行研究，為沿空留巷的穩(wěn)定提供理論依據(jù)[3]。

1 工程概況

霍爾辛赫礦3501 工作面位于三盤區(qū)北部，西部為3502 工作面，北部為未掘巷道，南部為3306工作面，東部為礦井開拓五條大巷及中部風(fēng)井。3501 工作面煤層平均厚度2.8 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，平均厚度0.9 m，黑灰色，中厚層狀，含煤屑，產(chǎn)大量植物化石；直接頂為細(xì)砂巖，平均厚度3.2 m 深灰色，厚層狀，見白云母，夾細(xì)砂質(zhì)包體，含少量煤屑，見砂紋層理，產(chǎn)有少量植物化石；老頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.4 m，灰色，薄層狀，成分以石英為主，長(zhǎng)石次之，夾黑色砂、泥質(zhì)紋線，含煤屑、夾煤線，具斜層理和交錯(cuò)層理，局部具平行層理，分選不好；煤層直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.2 m，黑灰色，中厚層狀，砂質(zhì)分布不均，見云母，含煤屑，產(chǎn)大量植物化石；老底為中砂巖，平均厚度為10.8 m，深灰色，厚層狀，間夾大量黑色泥質(zhì)紋線。

2 巷旁充填體參數(shù)確定

2.1 模型建立

采用UDEC 數(shù)值模擬軟件建立霍爾辛赫礦3501 工作面數(shù)值模擬模型，尺寸為120 m×50 m，底部四周采用位移邊界，頂部施加9.7 MPa 上覆巖層均布載荷。根據(jù)霍爾辛赫煤礦煤巖層物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果（引自本礦與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)校企合作項(xiàng)目“回采工作面沿空留巷支護(hù)工藝優(yōu)化技術(shù)研究報(bào)告”），數(shù)值計(jì)算模型采用的力學(xué)參數(shù)如表1、表2、表3 所示。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

表2 節(jié)理力學(xué)參數(shù)

表3 充填體模擬力學(xué)參數(shù)

2.2 充填體參數(shù)模擬方案

不同充填體參數(shù)對(duì)巷旁充填體的受力及位移影響也不同，針對(duì)充填體重要的三個(gè)參數(shù)充填體強(qiáng)度、充填體寬度、充填體位置進(jìn)行組合確定9 個(gè)方案如表4 所示。

2.3 充填體數(shù)值模擬分析

（1）充填體塑性區(qū)分布規(guī)律

分析不同充填體參數(shù)下得到巷旁充填體塑性區(qū)分布特征，可以得到：水灰比相同時(shí)，充填體塑性區(qū)發(fā)育程度隨著充填體寬度的增加而減小，充填體寬度相同時(shí)，塑性區(qū)發(fā)育程度隨著水灰比的增大而增大；受到礦山壓力后，充填體主要發(fā)生拉伸破壞，當(dāng)充填體寬度為1.6 m 時(shí)，塑性變形最嚴(yán)重，受到應(yīng)力最大，此條件下水灰比也最大時(shí)，充填體發(fā)生較大的破壞。因此，根據(jù)充填體塑性破壞規(guī)律得到方案3 和方案5 較穩(wěn)定。

（2）充填體裂隙發(fā)育規(guī)律

分析不同充填體參數(shù)下得到巷旁充填體裂隙發(fā)育規(guī)律，可以得到：充填體主要產(chǎn)生張拉裂隙，當(dāng)充填體寬度1.6 m、水灰比為1∶1 時(shí)，充填體發(fā)生張拉破壞，剪切裂隙數(shù)量遠(yuǎn)少于張拉裂隙；當(dāng)充填體寬度2.4 m、水灰比1∶1、1.5∶1 時(shí)，充填體內(nèi)部剪切裂隙明顯增多。根據(jù)充填體裂隙發(fā)育規(guī)律可以得到，方案5 裂隙發(fā)育程度較小。

（3）充填體垂直位移變化規(guī)律

分析不同充填體參數(shù)下得到垂直位移變化規(guī)律，可以得到：不同方案下充填體垂直位移均在充填體中部達(dá)到最大；當(dāng)水灰比相同時(shí)，頂?shù)装宕怪蔽灰齐S著充填體寬度的減小而增大，水灰比1∶1時(shí)，充填體最大垂直位移300 mm；當(dāng)充填體寬度相同時(shí)，垂直位移隨著水灰比增大而增大。根據(jù)充填體垂直位移變化規(guī)律，方案5 垂直位移較小。

（4）充填體應(yīng)力分布規(guī)律

分析不同充填體參數(shù)下水平應(yīng)力分布規(guī)律如圖1 所示，可以得到：水平應(yīng)力均在充填體頂?shù)撞窟_(dá)到最大值，而在充填體中部處于應(yīng)力降低狀態(tài)；當(dāng)充填體寬度為2 m、水灰比為1.5∶1 時(shí)，水平應(yīng)力變化幅度較小，充填體相對(duì)穩(wěn)定。

圖1 不同方案下水平應(yīng)力規(guī)律

分析不同充填體參數(shù)下垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖2 所示，可以得到：垂直應(yīng)力隨著水灰比的增大而增大，水灰比為1∶1、寬度為2.4 m 時(shí)，垂直應(yīng)力變化幅度最為明顯。

圖2 不同方案下垂直應(yīng)力規(guī)律

綜上所述，可以得到如下規(guī)律： 當(dāng)水灰比越小、充填體寬度越大時(shí)，充填體強(qiáng)度越高，其變形量越小，充填體穩(wěn)定性越好。對(duì)比不同模擬方案下塑性區(qū)、應(yīng)力、變形分布規(guī)律，同時(shí)結(jié)合成本因素，最終確定充填體寬度為2 m，水灰比1.5∶1，將充填體布置于巷道內(nèi)0.4 m 的支護(hù)方案。

3 巷旁充填體加固方案數(shù)值模擬分析

在充填體維持自身穩(wěn)定基礎(chǔ)上，通過(guò)增加對(duì)拉錨桿等加固措施可以對(duì)巷旁充填體進(jìn)行整體加固，形成更高承載力的充填體，因此采用數(shù)值模擬方法針對(duì)充填體加固技術(shù)參數(shù)進(jìn)一步研究。設(shè)計(jì)充填體加固方案為以下9 個(gè)方案，如表5 所示。

表5 充填體加固技術(shù)數(shù)值模擬方案

通過(guò)分析相關(guān)數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，可以得到如下結(jié)論：

1）通過(guò)分析不同方案下充填體塑性區(qū)分布規(guī)律可知，方案7 對(duì)拉錨桿直徑為24 mm、700 mm×700 mm 時(shí)，塑性破壞程度最?。环桨? 錨桿直徑22 mm、700 mm×700 mm 時(shí)，塑性破壞次之，方案5 錨桿直徑22 mm、800 mm×800 mm 時(shí)，與方案4塑性破壞基本一致，因此方案4、5 均為合理方案。

2）通過(guò)分析不同方案下充填體頂板位移規(guī)律可知，方案5 與方案7 充填體的加固效果較好；

3）通過(guò)分析不同方案下充填體頂板應(yīng)力分布規(guī)律可知，方案5 時(shí)，垂直應(yīng)力變化幅度較小，即錨桿發(fā)生剪切破壞可能性較小。

因此，綜合三項(xiàng)分析，得到方案5 為最佳充填體加固方案，即錨桿直徑為22 mm，間排距為800 mm×800 mm。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)霍爾辛赫礦3501 工作面沿空留巷充填體支護(hù)參數(shù)及加固方案數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同充填體技術(shù)參數(shù)下的充填體受力變形規(guī)律，最終確定充填體寬度為2 m，水灰比1.5∶1，將充填體布置于巷道內(nèi)0.4 m 為最佳支護(hù)方案。

2）通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同充填體加固方案下的充填體塑性區(qū)分布、應(yīng)力分布及變形規(guī)律，確定加固方案為對(duì)拉錨桿直徑為22 mm，間排距為800 mm×800 mm。