“三軟”煤層沿空留巷模擬研究

摘要：本文針對(duì)“三軟”煤層復(fù)雜頂板圍巖條件下應(yīng)用沿空留巷技術(shù)，應(yīng)用FLAC對(duì)“三軟”煤層沿空留巷前后的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值分析。研究表明，對(duì)“三軟”煤層復(fù)雜頂板條件下應(yīng)用沿空留巷技術(shù)時(shí)，頂板下沉量得到控制，充填體應(yīng)具有足夠的可縮量以適應(yīng)老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)南驴s讓壓，充分發(fā)揮圍巖的承載能力；同時(shí)，充填體還應(yīng)具有足夠的支護(hù)阻力參與頂板運(yùn)動(dòng)及平衡，以縮短過(guò)渡期頂板劇烈活動(dòng)的時(shí)間，減緩留巷頂板過(guò)大的下沉量。此種條件下，沿空留巷技術(shù)行之有效。

關(guān)鍵詞：三軟煤層；沿空留巷；充填；模擬；礦山壓力

1概述

沿空留巷技術(shù)20世紀(jì)50年代在我國(guó)開始使用以來(lái)，一直是我國(guó)煤炭開采的重要技術(shù)發(fā)展方向。沿空留巷技術(shù)能夠較好地實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱護(hù)巷、合理開發(fā)煤炭資源、提高煤炭資源采出率、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限、減少巷道掘進(jìn)量、緩解采掘接替矛盾、取消孤島工作面及縮短搬家時(shí)間、防止發(fā)火。沿空留巷技術(shù)是有利于礦井安全生產(chǎn)和改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的一項(xiàng)重大護(hù)巷技術(shù)，而且它也是礦山進(jìn)行采煤方法改革、實(shí)現(xiàn)前進(jìn)式和往復(fù)式開采、實(shí)現(xiàn)Y型通風(fēng)方式、治理工作面瓦斯超限難題的最有效途徑［1-5］。

2工程概況

工作面上順槽巷道屬于深井大跨度“三軟”煤層回采巷道，頂板賦存條件變化頻繁，巷道局部地段礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，強(qiáng)烈的動(dòng)壓影響對(duì)巷內(nèi)支護(hù)和巷旁充填體的強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性提出了很高的要求，特別是對(duì)巷內(nèi)支護(hù)材料的適應(yīng)性、對(duì)充填材料的早期強(qiáng)度和抗變形性等提出了巨大的挑戰(zhàn)。

3計(jì)算模型的建立

根據(jù)地質(zhì)資料，采用平面應(yīng)變計(jì)算模型來(lái)模擬巷道在回采和留巷期間圍巖的變形過(guò)程，將圍巖視為分層各向同性彈性介質(zhì)。計(jì)算模型尺寸長(zhǎng)×寬=100m×51m，巷道寬×高=5.0m×3.4m。模型的左、右及下邊界均為位移固定約束邊界，上邊界為應(yīng)力邊界，按上覆巖層厚度施加均布載荷［6-8］。模型中各層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

4模擬結(jié)果分析

4.1超前采動(dòng)影響期間的計(jì)算結(jié)果分析

（1）超前采動(dòng)影響下巷道圍巖應(yīng)力分布情況，如圖1所示。

（a）垂直應(yīng)力分布

（b）水平應(yīng)力分布

圖1超前采動(dòng)影響下應(yīng)力分布

從圖1可以看出，巷道周邊應(yīng)力基本在10MPa的低應(yīng)力范圍區(qū)域，高應(yīng)力分布在離巷道較遠(yuǎn)的區(qū)域，形似雙耳狀，這正是由于錨桿錨索形成的預(yù)應(yīng)力承載梁的作用，使得高應(yīng)力向巷道兩側(cè)深部圍巖轉(zhuǎn)移的結(jié)果。巷道肩角受到的水平剪切作用較強(qiáng)，但總體應(yīng)力值并不是很大，與垂直應(yīng)力相差不大。

（2）超前采動(dòng)影響下巷道變形情況、變形曲線及四周最大位移量分別見(jiàn)圖2、圖3和表2。

從圖2—圖3中可以看出，回采時(shí)巷道在超前采到應(yīng)力的影響下，回采期間四周的位移量明顯增大，頂板下沉量急劇增加，底鼓破壞的趨勢(shì)也較明顯。巷道四周最大位移量發(fā)生在頂板，到達(dá)了645.5mm，巷道兩幫及頂?shù)滓平糠謩e高達(dá)947.1mm和998.1mm。因此，這種情況下要對(duì)局部巷道進(jìn)行采前維護(hù)，頂板管理尤其重要，超前加強(qiáng)支護(hù)一定要使用初撐力較高的單體支柱。

4.2留巷期間的計(jì)算結(jié)果分析

（1）留巷期間巷道圍巖彈塑性區(qū)及應(yīng)力分布情況，如圖4所示。

圖4留巷期間圍巖彈塑性區(qū)

從圖4分析可知，留巷期間巷道四周出現(xiàn)了大量的塑性區(qū)及拉應(yīng)力區(qū)。先在巷道上幫部的外圍形成了拉應(yīng)力區(qū)，內(nèi)圍形成了塑性區(qū)，這是由于幫部急劇的變形導(dǎo)致的結(jié)果。留巷時(shí)巷道頂板的進(jìn)一步下沉，在頂板中間出現(xiàn)了拉應(yīng)力，但是由于錨桿和錨索的存在避免了拉應(yīng)力的進(jìn)一步擴(kuò)張，保護(hù)了頂板的穩(wěn)定。同時(shí)充填墻體的上下肩角處也相應(yīng)地存在拉應(yīng)力，這不僅與頂板下沉和底鼓有關(guān)系，而且也與充填材料的性質(zhì)有很大的關(guān)系。從圖1可以看出，巷道及采空區(qū)都處在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，這是因?yàn)殡S著回采后直接頂板的冒落、老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉破斷，以及“三角塊”的形成，有效承擔(dān)了上覆巖層的重量，保護(hù)了巷內(nèi)支護(hù)免受上覆巖層自重應(yīng)力作用的結(jié)果。

（2）留巷期間巷道圍巖變形曲線及最終位移量分別見(jiàn)圖5和表3。

根據(jù)圖5和表3可以看出，頂板下沉量進(jìn)一步增大到了731.3mm，之后趨于穩(wěn)定。充填墻體在垮落頂板的壓力下壓縮量為394.4mm，模擬充填墻體高度為3.4m，壓縮量達(dá)到了11.6%。因此，充填體應(yīng)具有足夠的可縮量（要達(dá)到11.6%）以適應(yīng)老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)南驴s讓壓，充分發(fā)揮圍巖（老頂巖梁及冒落矸石）的承載能力；同時(shí)，充填體還應(yīng)具有足夠的支護(hù)阻力參與頂板運(yùn)動(dòng)及平衡，以縮短過(guò)渡期頂板劇烈活動(dòng)的時(shí)間，減緩留巷頂板過(guò)大的下沉量。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)“三軟”煤層復(fù)雜頂板條件下應(yīng)用沿空留巷技術(shù)，利用FLAC模擬分析了沿空留巷巷道超前采動(dòng)影響期間和留巷期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。研究表明，頂板下沉量得到控制，充填體應(yīng)具有足夠的可縮量（要達(dá)到11.6%）以適應(yīng)老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)南驴s讓壓，充分發(fā)揮圍巖（老頂巖梁及冒落矸石）的承載能力；同時(shí)，充填體還應(yīng)具有足夠的支護(hù)阻力參與頂板運(yùn)動(dòng)及平衡，以縮短過(guò)渡期頂板劇烈活動(dòng)的時(shí)間，減緩留巷頂板過(guò)大的下沉量。研究證明，沿空留巷技術(shù)行之有效。

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作者簡(jiǎn)介：蘇士杰（1982—），男，漢族，河南濮陽(yáng)人，碩士，高級(jí)工程師，從事沖擊地壓研究與治理。