沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律模擬研究

石建軍 師皓宇

（華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北省三河市，065201）

沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律模擬研究

石建軍 師皓宇

（華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北省三河市，065201）

結(jié)合冀中能源股份公司葛泉礦1528工作面運(yùn)輸巷的工程條件，在關(guān)鍵層理論研究成果基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，建立了反映巖層基本特征的力學(xué)模型，研究了留巷上方頂板斷裂的應(yīng)力特征、變形特征和破壞特征。

沿空留巷 采動(dòng)影響 數(shù)值模擬 礦壓顯現(xiàn)

沿空留巷技術(shù)是無(wú)煤柱開(kāi)采的一項(xiàng)重大的護(hù)巷技術(shù)，它能夠使煤炭回收率提高、合理開(kāi)發(fā)煤炭資源、使礦井服務(wù)年限延長(zhǎng)、緩解采掘接替矛盾、使巷道掘進(jìn)工程減少、防止煤炭自然發(fā)火、縮短搬家時(shí)間及取消孤島工作面等，故利于改善礦井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果和礦井安全生產(chǎn)。所以，沿空留巷成為煤炭地下開(kāi)采技術(shù)的重要研究方向。

1 一次采動(dòng)影響礦壓規(guī)律分析

1.1 模型建立

以葛泉礦1528工作面運(yùn)輸巷沿空留巷為研究對(duì)象，研究受開(kāi)采影響的巷道圍巖特征。

煤層巷道頂?shù)装逄卣饕?jiàn)表1。

表1 巷道頂?shù)装宓膶游惶卣?/p>

根據(jù)巷道形狀，考慮到邊界效應(yīng)，三維模型設(shè)計(jì)尺寸為300m×350m×250m（長(zhǎng)×寬×高）。模型共有68600個(gè)網(wǎng)格，74124個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型周邊各留50m邊界，煤層平均厚度為2.3m，平均傾角15°。采用應(yīng)力邊界條件，模型上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力，按埋藏深度300m確定原巖應(yīng)力為7.5MPa，模型下表面垂直位移固定。通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)得知，當(dāng)巖體受載達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，巖體發(fā)生破壞，隨著時(shí)間的增加，巖體強(qiáng)度峰后殘余強(qiáng)度隨著巖體的變形而逐漸減小。所以，在模型的計(jì)算中采用莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則作為巖體的破壞準(zhǔn)則。根據(jù)以上條件建立的FLAC三維模型如圖1所示，圖1中上工作面表示上區(qū)段已經(jīng)回采的1528回采工作面，下工作面表示正在回采的1526工作面，1528運(yùn)輸巷為所要研究的沿空留巷，支柱為留巷內(nèi)支護(hù)。

圖1 三維模型圖

1.2 結(jié)果分析

（1）按照?qǐng)D1中的模型進(jìn)行開(kāi)挖，1528工作面推進(jìn)后采空區(qū)經(jīng)過(guò)充分垮落，采空區(qū)頂板的下沉量最大為34.7mm，沿空留巷頂板上方0.2m處的頂板下沉量在20～25mm之間，說(shuō)明沿空留巷在一次采動(dòng)時(shí)巷道的變形量不大，能夠滿足生產(chǎn)要求。通過(guò)模擬可知，一次采動(dòng)時(shí)初次來(lái)壓步距約為30m，周期來(lái)壓步距約為20m。

（2）位于1528采煤工作面后方5m處留巷內(nèi)的垂直應(yīng)力主要集中于靠近1528工作面?zhèn)认飵?，最大集中?yīng)力為16.35MPa，垂直應(yīng)力集中系數(shù)為2.18。

（3）采煤工作面前方煤體內(nèi)的最大集中應(yīng)力為19.06MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.54。

（4）1528工作面前方煤壁20m范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力均明顯大于原巖應(yīng)力，最大集中應(yīng)力可達(dá)22 MPa，見(jiàn)圖2，最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.93。

（5）沿空留巷靠近1528工作面煤幫內(nèi)的最大垂直應(yīng)力達(dá)到20MPa，應(yīng)力集中范圍深入到煤壁前方30m；1528采煤工作面前方20m內(nèi)巷道的垂直應(yīng)力為16～18MPa，為原巖應(yīng)力的2.13～2.4倍，采煤工作面前方20m外巷道兩幫的垂直應(yīng)力為10MPa，是原巖應(yīng)力的1.33倍。

圖2 工作面周圍垂直應(yīng)力云圖

（6）工作面前方10m內(nèi)的煤體發(fā)生塑性破壞，超前工作面40m內(nèi)的巷道發(fā)生塑性破壞，這與垂直應(yīng)力集中范圍相一致，因此采用沿空留巷的超前支護(hù)范圍至少應(yīng)為40m。

2 二次采動(dòng)影響礦壓規(guī)律分析

當(dāng)1526工作面回采后，1528工作面的運(yùn)輸巷成為1526工作面的回風(fēng)巷。

（1）由模擬可知，當(dāng)1528工作面推進(jìn)200m，采空區(qū)頂板下沉量最大可達(dá)719.5mm；1526工作面推進(jìn)100m，沿空留巷頂板下沉量最大為400 mm；1528工作面前方巷道的頂板下沉量也達(dá)到300～400mm，遠(yuǎn)大于一次采動(dòng)時(shí)的頂板下沉量，說(shuō)明沿空巷道受二次采動(dòng)影響較為強(qiáng)烈，1526工作面前方2m處、沿空留巷巷道煤幫一側(cè)的變形量為42.33mm。巷道前方采區(qū)需要加強(qiáng)支護(hù)措施，才能控制圍巖變形。

（2）1526工作面后方5m處沿空留巷煤幫側(cè)（靠近1526工作面?zhèn)让簬停┑拇怪睉?yīng)力仍然較大，最大為20MPa，為原巖應(yīng)力的2.67倍，因此要求工作面處的支架具有一定初撐力，并且要有一定的可縮量，以防壓垮。

（3）1526工作面前方5m處的最大垂直應(yīng)力主要集中在深入沿空留巷巷道煤幫側(cè)的5m范圍內(nèi)，最大垂直應(yīng)力可達(dá)到60MPa。因此該處沿空留巷巷道易發(fā)生片幫事故。

（4）1526工作面前方40m內(nèi)的應(yīng)力較為集中，沿空留巷巷道煤幫側(cè)的垂直應(yīng)力為40～70 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為5.33～9.30。

（5）工作面前方40～100m范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力為20～30MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.67～4。因此沿空留巷在工作面超前100m時(shí)要開(kāi)始加強(qiáng)支護(hù)，工作面超前40m時(shí)要采取措施，以防片幫冒頂。

（6）工作面前方30m內(nèi)的部分煤體開(kāi)始發(fā)生塑性破壞，超前工作面130m內(nèi)的巷道發(fā)生塑性破壞，這與垂直應(yīng)力集中范圍相一致，因此采用沿空留巷的超前支護(hù)范圍至少應(yīng)為40m。在工作面前方50～100m范圍內(nèi)的支柱受力較大。

3 實(shí)測(cè)礦壓規(guī)律分析

由實(shí)測(cè)可知，沿空留巷在二次采動(dòng)影響下，具有以下變形特征：

（1）巷道形變基本規(guī)律。隨著采動(dòng)的進(jìn)行，巷道的頂?shù)准皟蓭鸵平俣取⒖傄平烤鲩L(zhǎng)較快，留巷表現(xiàn)出更為劇烈的礦壓特征。從變形結(jié)果來(lái)看，兩幫與頂?shù)鬃罱K變形差別較小，頂?shù)桌塾?jì)位移341mm，要小于兩幫累計(jì)位移355mm。究其原因是回采時(shí)巷道的壓力主要是由支承壓力重疊導(dǎo)致，而并不是上位巖層急劇沉降導(dǎo)致。

（2）巷道頂?shù)装逡平?guī)律。隨工作面回采，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)，巷道頂?shù)装暹\(yùn)動(dòng)分為3個(gè)顯現(xiàn)帶。

沉降帶：在1526采面前方約58m以遠(yuǎn)地區(qū)巷道受采動(dòng)影響較小，頂?shù)装鍘r層較穩(wěn)定、位移基本為零。

運(yùn)動(dòng)始發(fā)帶：位于1526采面前58～41m范圍內(nèi)，礦壓特點(diǎn)是頂?shù)组_(kāi)始有移近產(chǎn)生，但變形速度小于3mm／d，這期間總位移量?jī)H占全部位移量的1%。

急劇運(yùn)動(dòng)帶：從1526采面前41m變形速度加大，延續(xù)至該采面附近頂?shù)滓平俣冗_(dá)到約為50 mm／d的最大值，總移近量增加較快，在這階段的移近量占總移近量的94%以上，稱之為急劇運(yùn)動(dòng)帶。由觀測(cè)分析可知，沿空留巷頂?shù)滓平饕傻纂M成，頂板下沉的速度和總位移都小于底臌。由數(shù)據(jù)可以說(shuō)明：頂板下沉約占總移近的35%，底臌量約為總移近的65%。這也說(shuō)明回采過(guò)程中，巷旁的支撐形式對(duì)留巷承受的壓力大小影響很大。

（3）沿空留巷兩幫位移隨采面推進(jìn)規(guī)律。在1526采面前方約54m以遠(yuǎn)區(qū)域巷道兩幫移近受回采影響不大，位移基本為零；開(kāi)始出現(xiàn)移近在54～47m區(qū)域內(nèi)，但變形不大于3.5mm／d，此區(qū)域移近量約占總移近量的8.5%；從1526工作面47 m開(kāi)始至采面切眼，變形速度增加較快；在1526采面前約7m處移近速度達(dá)到最大值約為50mm／d，此階段移近量占總移近量的91.5%以上。

由此可見(jiàn)兩幫移近中煤幫鼓出占主要位置，采空區(qū)側(cè)鼓出速度和總位移均小于煤幫。采空區(qū)側(cè)鼓出約占總移近量的39%，煤幫側(cè)鼓出約占總移近量61%。這是由于采空側(cè)采用了加強(qiáng)支護(hù)，并且采空側(cè)矸石壓實(shí)后強(qiáng)度比煤幫大。

因此，在二次采動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與一次采動(dòng)有所不同，正確認(rèn)識(shí)現(xiàn)象特征，分析其原因，對(duì)保證正常生產(chǎn)有重要意義。

4 結(jié)論

（1）沿空留巷受一次采動(dòng)及二次采動(dòng)影響時(shí)，圍巖的集中系數(shù)增大，頂板下沉量加大，尤其是二次采動(dòng)影響時(shí)尤為嚴(yán)重。

（2）一次采動(dòng)影響時(shí)工作面超前影響范圍為40m；二次采動(dòng)影響超前影響范圍為50～100m。

（3）沿空留巷頂板在采動(dòng)期間礦壓顯現(xiàn)比較明顯，應(yīng)該加強(qiáng)支護(hù)。

［1］ 孫恒虎，趙炳利.沿空理論與實(shí)踐［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1993

［2］ 謝文兵，殷少舉，史振凡.綜放沿空留巷幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2004（2）

［3］ 張國(guó)華.主動(dòng)支護(hù)下沿空留巷頂板破碎原因分析［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2005（4）

［4］ 張東升，繆協(xié)興，茅獻(xiàn)彪.綜放沿空留巷頂板活動(dòng)規(guī)律的模擬分析［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（3）

［5］ 張東升，茅獻(xiàn)彪等.綜放沿空留巷圍巖變形特征的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002（3）

［6］ 王猛，柏建彪等.高瓦斯頂分層停采工作面沿空留巷支護(hù)技術(shù)研究［J］.中國(guó)煤炭，2011（6）

Simulation research on the law of strata behavior in gob－side entry retained

Shi Jianjun，Shi Haoyu
（Safety Engineering College，North China Institute of Science and Technology，Sanhe，Hebei 065201，China）

Taking the engineering conditions of haulage roadway of No.1528face in Gequan Coal Mine of Jizhong Energy Group Co.，Ltd.into consideration and based on the research findings of Key Stratum Theory，the paper has established a mechanical model which could reflect the basic features of rock stratum by the method of computer numerical simulation，and researched the characteristics of stress，deformation and damage of fractures on the roof beyond the gob－side entry retained.

gob－side entry retained，mining influence，numerical simulation，strata behaviors

TD322

A

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（AQ1202B）

石建軍（1975－），男，黑龍江人，博士研究生，副教授，主要從事礦山壓力等方面的研究。

（責(zé)任編輯 張毅玲）