數(shù)值模擬技術(shù)在工作面回撤過(guò)程中的應(yīng)用

周曉彬

(汾西礦業(yè)集團(tuán)公司中興煤業(yè)，山西 交城 030500)

國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的工作面搬家主要以絞車(chē)、蓄電池機(jī)車(chē)、軌道平板車(chē)等多段分散落后的傳統(tǒng)輔助運(yùn)輸方式為主。不僅運(yùn)輸環(huán)節(jié)復(fù)雜效率低，而且安全性差。近幾年，綜采工作面快速搬家的成套裝備和根據(jù)各礦區(qū)地質(zhì)條件采用的多點(diǎn)、雙點(diǎn)、單點(diǎn)回撤工藝技術(shù)已經(jīng)在美國(guó)、澳大利亞、南非等采煤大國(guó)得到普及應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［1］。其中，多通道快速回撤技術(shù)在我國(guó)內(nèi)蒙地區(qū)已經(jīng)得到普遍推廣。多頭作業(yè)提高了撤架速度，縮短了撤架時(shí)間，無(wú)軌膠輪車(chē)將支架裝、運(yùn)、卸集于一體，從而提高了工作效率;預(yù)掘輔巷的措施，省去了回采工作面為形成撤架的調(diào)向空間，切割煤壁的工序，從而減少了撤面所需的時(shí)間［2］。實(shí)現(xiàn)綜采工作面的快速安全回撤，關(guān)鍵在于工作面收尾時(shí)的貫通質(zhì)量和頂板的支護(hù)質(zhì)量。本文采用FLAC數(shù)值模擬軟件，對(duì)山西某煤礦工作面回撤過(guò)程進(jìn)行模擬，分析兩回撤巷道及其煤柱的受力變形情況以及工作面超前支承壓力的分布，為工作面安全順利回撤提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

山西某煤礦工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1417 m，傾斜長(zhǎng)度300 m，煤層傾角2°～5°，煤厚平均 5.14 m，采高 4.5 m，工作面回采至停采線，與回撤通道貫通后進(jìn)行設(shè)備回撤，回撤系統(tǒng)平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 6上105－1工作面回撤系統(tǒng)平面圖

主輔回撤巷道斷面為矩形，主回撤寬5.6 m，高4 m，輔回撤寬5.2 m，高3.6 m。支護(hù)形式為錨桿、錨索、網(wǎng)片、鋼筋梯聯(lián)合支護(hù)，主回撤巷道回采側(cè)幫采用d18 mm，L=2.2 mm的玻璃鋼錨桿，其余錨桿均采用d18 mm，長(zhǎng)度L=2.2 m的25 MnSi螺紋鋼。錨索采用 d15.24 mm，L=7.2 m 的 7 股鋼絞線;錨桿排距0.9 m，主回撤巷道錨索排距1.8 m，輔回撤巷道錨索排距2.7 m。主回撤通道布置雙排垛式支架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，支架間距2 m，邁步錯(cuò)距0.5 m。

2 模型的建立

2.1 幾何模型的建立

根據(jù)工作面地質(zhì)條件、煤巖條件以及模型邊界對(duì)模擬準(zhǔn)確性的影響［3，4］，建立以下模型進(jìn)行計(jì)算:工作面走向模型范圍為441 m×155.8 m，共32544個(gè)單元網(wǎng)格，32980個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型包括6上105－1工作面及主輔回撤通道模型圖見(jiàn)圖2。

圖2 6上105－1工作面走向模型圖

2.2 本構(gòu)模型和巖體物理力學(xué)參數(shù)的選取

巖體開(kāi)挖前，煤層及各個(gè)巖層處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。此次模擬采用彈塑性模型，破壞準(zhǔn)則選用 mohr－ Coulo mb 準(zhǔn)則［5］。

巖體的物理力學(xué)參數(shù)如:彈性模量、黏聚力和抗拉強(qiáng)度等取值往往只有煤巖塊相應(yīng)參數(shù)值的1/5～1/3，有的差別可能更大，比值達(dá)到1/20～1/10，而煤巖體的泊松比一般為煤巖塊泊松比的1.2～1.4倍［6］。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論分析，確定了本次模擬的煤巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)表

2.3 邊界條件和加載條件

模型左右邊界施加水平約束，即邊界水平位移量為零;模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移量均為零;工作面走向模型兩側(cè)施加3.29～7.36 MPa的梯度應(yīng)力，頂部施加3.25 MPa等效載荷，垂直方向設(shè)定自重載荷。

為了使數(shù)值計(jì)算更接近實(shí)際，采用兩組support單元模擬雙排垛式支架;同時(shí)錨桿采用cable單元進(jìn)行模擬。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 6上105－1工作面回撤過(guò)程應(yīng)力分析

工作面回采后，在工作面兩端頭形成應(yīng)力集中。當(dāng)工作面距離回撤通道＞80 m時(shí)，回撤通道附近基本未受工作面回采影響，僅是回撤通道自身產(chǎn)生了應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力為8.9～9.4 MPa;隨著工作面向前推進(jìn)，回撤巷道受到的影響越來(lái)越明顯，回撤通道附近應(yīng)力逐步增大，見(jiàn)表2。工作面采到距回撤巷道50 m處時(shí)，主回撤通道受工作面回采影響顯著，最大垂直應(yīng)力達(dá)到11.8 MPa，為原始垂直應(yīng)力的1.5倍;當(dāng)工作面貫通時(shí)主回撤通道最大垂直應(yīng)力達(dá)到21.4 MPa，輔回撤通道最大垂直應(yīng)力達(dá)到13.4 MPa。

在6上105－1工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面前方支承應(yīng)力峰值位于工作面前方的5.8～6.4 m處，且始終保持不變，見(jiàn)表3。工作面前方支承應(yīng)力峰值隨著工作面向回撤通道方向的推進(jìn)越來(lái)越大，工作面距回撤通道 ＞30 m 時(shí)，峰值為17.0 ～17.2 MPa，工作面距回撤通道＜30 m時(shí)，受回撤通道的影響，應(yīng)力產(chǎn)生疊加，峰值為 17.6 ～21.5 MPa。

表2 隨工作面回采回撤通道附近最大垂直應(yīng)力表

表3 隨工作面回采工作面前方支承壓力表

隨著工作面的推進(jìn)，距離回撤通道越來(lái)越近，回撤通道之間煤柱上的應(yīng)力也發(fā)生變化，見(jiàn)圖3～6。當(dāng)工作面距離主回撤通道＞20 m時(shí)，主、輔回撤通道之間煤柱的應(yīng)力為7～8 MPa，當(dāng)工作面距離主回撤通道＜20 m直至貫通時(shí)，主、輔回撤通道之間煤柱的應(yīng)力為9～11 MPa，且主回撤通道煤壁內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，達(dá)到14～22 MPa。撤面期間主回撤通道支承壓力和輔回撤通道圍巖應(yīng)力相互疊加，主、輔回撤通道之間煤柱的應(yīng)力較正常開(kāi)采期間的應(yīng)力值高2～3 MPa，即撤面期間巷道和煤柱的支承壓力增大，回撤時(shí)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

圖3 距回撤通道80 m時(shí)回撤巷道之間煤柱應(yīng)力曲線圖

圖4 距回撤通道50 m時(shí)回撤巷道之間煤柱應(yīng)力曲線圖

工作面和主回撤巷道貫通后，回撤巷道間煤柱支承壓力增大，煤柱彈塑性變形區(qū)分布見(jiàn)圖7。在工作面采動(dòng)影響下，煤柱大部分區(qū)域都處于彈性應(yīng)變狀態(tài)。主回撤巷道側(cè)塑性區(qū)寬度為6 m，輔回撤巷道側(cè)為4 m，煤柱的彈性區(qū)為15 m，煤柱受力狀態(tài)較好。結(jié)合煤柱低應(yīng)力區(qū)、高應(yīng)力區(qū)分布狀態(tài)的分析，主輔回撤通道之間的煤柱能夠承受支承壓力的作用，具有足夠的承載能力。

圖5 距回撤通道20 m回撤巷道之間煤柱應(yīng)力曲線圖

圖6 貫通后回撤巷道之間煤柱應(yīng)力曲線圖

圖7 貫通后回撤巷道間煤柱塑性區(qū)分布圖

3.2 6上105－1工作面回撤過(guò)程位移分析

隨著工作面向回撤通道方向的推進(jìn)，主、輔回撤通道頂板的位移越來(lái)越大見(jiàn)圖8、圖9，工作面距回撤通道30 m時(shí)，主、輔回撤通道頂板垂直位移開(kāi)始大幅度增加，工作面與主回撤通道貫通后，主、輔回撤通道頂板最大垂直位移分別為652 mm、273 mm。模擬顯示，主回撤通道頂板變形較大，設(shè)備回撤時(shí)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

圖8 主回撤通道頂板垂直位移曲線圖

圖9 輔回撤通道頂板垂直位移曲線圖

4 結(jié)論

1)隨著工作面向前推進(jìn)，回撤巷道受到的影響越來(lái)越明顯，回撤通道附近應(yīng)力逐步增大。主回撤通道最大垂直應(yīng)力達(dá)到21.4 MPa，輔回撤通道最大垂直應(yīng)力達(dá)到 13.4 MPa。

2)隨著工作面的推進(jìn)，回撤通道之間煤柱上的應(yīng)力也發(fā)生變化。貫通時(shí)主回撤通道煤壁內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，達(dá)到了14～22 MPa。

3)工作面貫通時(shí)，煤柱大部分區(qū)域都處于彈性應(yīng)變狀態(tài)，結(jié)合煤柱低應(yīng)力區(qū)、高應(yīng)力區(qū)分布，主輔回撤通道之間的煤柱能夠承受支承壓力的作用，具有足夠的承載能力。

4)當(dāng)工作面距主回撤通道20 m后，主回撤通道應(yīng)力及頂板位移顯著增加;工作面貫通時(shí)主、輔回撤通道頂板垂直位移達(dá)到最大，分別為652 mm、273 mm。

因此，工作面距離主回撤通道50 m時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)回撤通道(尤其是主回撤通道)的支護(hù)，采用支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，保證垛式支架的工作阻力，對(duì)主回撤通道回采貫通側(cè)幫部、輔運(yùn)順槽回采側(cè)幫部注瑞米加固一號(hào)加固煤壁，防止回撤通道頂板下沉，實(shí)現(xiàn)安全快速回撤。

［1］雷 煌.綜采工作面快速搬家成套裝備與技術(shù)的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008(8):1－3.

［2］張永紅，張?jiān)倜?神東礦區(qū)綜采面設(shè)備多通道快速回撤工藝的應(yīng)用［J］.科技與經(jīng)濟(jì)，2006(6):112.

［3］陳曉祥，謝文兵.采礦過(guò)程數(shù)值模擬模型左右邊界的確定［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007(4):96－97.

［4］陳曉祥，韋四江.采礦數(shù)值模擬研究中上部邊界條件確定的探討［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(6):41－42.

［5］劉 波，韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005:77－79.

［6］謝文兵，陳曉祥，鄭百生.采礦工程問(wèn)題數(shù)值模擬研究與分析［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005:106－107.