綜放沿空留巷充填體應力分布及卸壓預裂角研究

楊曉敏

山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦 山西 呂梁 033000

1 前言

為了提升煤炭的產出量，礦山開始選用無煤柱開采技術。無煤柱開采技術一般為沿空掘巷、沿空留巷和沿空留墻。此前楊瑞杰[1]采用FLAC-3D數值模擬軟件對不同充填體下沿空留巷進行了一定的分析，對比了不同充填體下圍巖的變形情況，并利用爆破卸壓對頂板進行預裂，有效的維護了巷道的穩定性。涂強[2]為了解決深井圍巖變形大的問題，通過對矸石筑墻對巷道的應力進行支撐，并通過數值模擬對矸石墻的寬度和厚度進行計算，有效的解決了變形大的問題。本文通過數值模擬對充填體充填效果進行分析，并對頂板預裂的角度進行研究，為解決巷道變形嚴重的問題作出一定的貢獻。

2 巷旁充填體應力分析

巷旁充填體受力后會發生一定的變形，當工作面進行推進的過程中，巷道的頂板會形成大面積的懸頂，當工作面繼續推進直接頂的垮落步距超過其極限承載時，直接頂會發生初次來壓，此時上覆老頂受到外部載荷的作用發生一定的彎曲，當彎曲到達一定的極限會產生“O-X”斷裂，隨著工作面推進煤礦采空區被矸石逐步填充，工作面產生周期來壓。巖塊I為老頂巖層，巖塊II為上區段弧形三角板，巖塊III為上區段巖塊。所以可以看出巖塊II是上覆巖層穩定性的關鍵要素。采空區上覆巖層示意圖如圖1所示。

圖1 采空區上覆巖層示意圖

為了分析充填后應力特征行分析，利用FLAC-3D模擬軟件進行建模分析，建立長度為350m、寬度為320m和高度為57m的三維模型，對模型展開網格的劃分，在網格劃分時，為了保證模擬的精確性及模擬的工作量大小，適當的選擇網格劃分的方式，網格劃分完成后共有527744個網格和554313個節點。選取工作面的推進長度為220m，對模型進行屬性的設定，巖石屬性設定表如表1所示。完成屬性設定后，對模型進行約束設置，在模型的邊界進行水平約束固定。經過礦山的地質資料可知上覆巖層的應力為7.7MPa，所以對頂板施加固定載荷。

表1 巖石力學參數參照表

巷道充填物的材料屬性選擇摩爾-庫倫模型，工作面每次推進10m，一直到工作面推進至220m的位置。為了分析不同工作面推進距離下巷道垂直應力分布情況，本文的推進距離分別選擇30m、70m和190m進行分析，如圖2所示。

圖2 垂直方向應力分布云圖

從圖2可以看出，隨著掘進工作的不斷推進，巷旁的充填體的垂直方向應力分布的規律呈現出一定的相似性。巷旁的垂直應力分布在工作面推進過程中保持不變。觀察圖2（a）可以發現，當工作面推進至30m時，此時垂直應力最大為18.45MPa，垂直應力最小值為6.28MPa，巷旁充填體所承受的垂直應力小于工作面推進至70m和工作面推進至190m的最大垂直應力，所以可知在工作面推進至30m的范圍時，充填體對巷道頂板支撐處在一個平穩的趨勢下，充填體在此時刻呈現出四面受壓。當工作面推進至70m的范圍時，此時的巷旁充填體受到的垂直應力明顯突然增大，此時的最大垂直應力來到了21.18MPa，較工作面推進30m時的18.45MPa提升了2.73MPa，最大垂直應力增大了14.8%。此時的最小垂直應力也增大至8.47MPa，增大了34.87%。發生這一現象的原因為工作面在從30m推進至70m的過程中，綜放工作面頂板遭遇了頂板的初次來壓，所以此時的巷旁垂直應力會出現一個較大的增長。此時的充填體的承壓狀態來到了3邊支撐，此時的最大最小垂直應力的數值較工作面推進190m時也大。在工作面推進至190m時此時的巷旁垂直應力開始趨于平穩，此時的最大垂直應力為20.7MPa，最小垂直應力為8.9MPa。在工作面推進過程中頂板只會發生周期性的斷裂并不會出現大面積的失穩。

3 不同預制角下切頂卸壓分析

為了改善沿空留巷的圍巖環境，本文通過對頂板進行切頂卸壓來減小圍巖的變形量，為了研究不同預制裂縫角度對切頂卸壓的影響，利用FLAC-3D模擬軟件對預制角度為0°、45°、60°、75°和90°進行模擬研究，建模過程如上述建模過程類似，這里不做贅述。模型的示意圖如圖3所示。

圖3 不同預制角下模型示意圖

對模擬的數據進行整理如圖4所示，從曲線可以看出不同預制角下巷旁的垂直應力分布隨推進距離的變化趨勢類似。當工作面推進至0m時，此時垂直應力分布范圍均在6MPa～8MPa之間，當工作面推進從0m至45m時，此時的垂直應力急速增大，預制角度在0°時，垂直應力出現峰值為23.47MPa；預制角為45°時應力峰值到了20.75MPa；預制角為60°時應力峰值到了18.57MPa；預制角為75°時應力峰值到了18.08MPa；預制角為90°時應力峰值到了18.06MPa。可以看出預制角從0°至90°的過程中垂直應力峰值呈現出減小的的趨勢。當預制角為0°時，此時的沿空留巷圍巖的垂直應力峰值最大，此時的巷道維護也較難，切頂卸壓的效果不是很好。當預制角為90°時，此時的巷旁充填體的峰值應力最小，所以預制角為90°時的切頂效果最好，有效的保證了巷道圍巖的穩定性。

圖4 垂直應力隨預裂角度變化曲線

4 結論

（1）對巷旁充填體受力進行分析，給出了綜放工作面上覆巖層運移規律，并對沿空留巷巷旁充填體變形機理進行分析。

（2）隨著工作面的推進，巷旁充填體垂直應力的分布呈現出一定的相似性。當工作面推進至30m時，最大垂直應力為18.45MPa，最小垂直應力為6.28MPa。當工作面推進至70m時初次來壓，垂直應力明顯增大。

（3）對不同預制角下的頂板進行切頂卸壓發現，垂直應力隨工作面推進距離的變化曲線呈現出一定的相似性，且從預制角從0°提升至90°的過程中垂直應力呈現出減小的趨勢，所以預制角為90°時的切頂卸壓效果最好。