永定莊礦沿空留巷數(shù)值模擬研究

帥鑫民

(同煤集團(tuán)永定莊礦，山西 大同 037003 )

1 工程背景

永定莊礦評價(jià)埋深568 m，設(shè)計(jì)產(chǎn)能4 Mt/a，位于山西大同馬興鷗村，高瓦斯礦井，且頂板堅(jiān)硬、難以管理。永定莊礦基于高瓦斯通風(fēng)需求與降低巷道圍巖應(yīng)力的目的，現(xiàn)計(jì)劃將W1318工作面留巷巷道作為W1319進(jìn)風(fēng)順槽使用，并在距離留巷巷道35 m處掘進(jìn)W1319回風(fēng)順槽，實(shí)施無煤柱開采。具體巷道位置見圖1。

永定莊礦W1318工作面頂?shù)装寮懊簩尤訙y試后，巖(煤)體力學(xué)性能測試結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖1 巷道位置布局

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

2 綜放沿空留巷過程中上覆巖層力學(xué)機(jī)理研究

W1319工作面回采之前，相鄰的W1318工作面頂板已形成“O-X”斷裂結(jié)構(gòu)，此類頂板結(jié)構(gòu)隨著采場周期來壓后，采空區(qū)垮落物與基本體聯(lián)合組成具有一定時(shí)效穩(wěn)定性的的梁體結(jié)構(gòu)，如第96頁圖2所示。

“O-X”斷裂與基本頂、直接頂、煤層三者的厚度，還與煤層附近巖層巖性有關(guān)，如力學(xué)性質(zhì)、容重等，同時(shí)與埋深、采高也有一定關(guān)系[1-3]。

建立W318沿空留巷建立模型示意圖如第96頁圖3所示。

圖2 “O-X”型破斷形式平面圖

圖3 沿空留巷基本側(cè)向頂板破斷模型示意圖

巖塊B主要由三部分構(gòu)成：1) 基本頂側(cè)向斷裂長度D，此處為原有巷道上方基本頂在采空區(qū)側(cè)向斷裂長度；2) 巖塊自身厚度h；3) 塊體沿工作面推進(jìn)方向的長度L[4]。D可用公式(1)計(jì)算。

(1)

式中，L為計(jì)算求得的來壓步距，m；h為基本頂巖層的厚度，m。

構(gòu)建巖塊B側(cè)向懸臂梁長度力學(xué)模型，見圖4。

圖4 側(cè)向懸頂懸臂梁力學(xué)模型

模型頂板為均布載荷q1，AB懸桿上分布實(shí)體煤幫載荷σy，支護(hù)阻力P2作用在x0(s

(2)

(3)

式中：P0為煤幫支護(hù)強(qiáng)度，Pa；φ0為內(nèi)摩擦角，(°)；A1為側(cè)壓系數(shù)；λ為上容重，N/m3；k為應(yīng)力集中系數(shù)；H為埋深，m；m為采高，m；C0為黏聚力，Pa。

測點(diǎn)A處計(jì)算見式(4)～式(5)。

∑M=0

(4)

(5)

由此可得式(6)。

(6)

其中，M′計(jì)算見式(7)～式(8)。

(7)

(8)

變形得式(9)。

(9)

式中：Rt為抗拉強(qiáng)度，Pa；h為直接頂厚度，m。

充填體支護(hù)強(qiáng)度P1與直接頂懸頂長度l關(guān)系見式(10)。

(10)

由式(10)可見，懸臂梁l的長度越大，所需巷旁阻力越大，可通過切頂卸壓完成減小l進(jìn)而減小P1。

將W1318與1319相關(guān)參數(shù)代入式(10)求得懸頂長度l低于8.63 m。

3 數(shù)值模擬

FLAC軟件可以很好地基于真實(shí)地質(zhì)狀況，模擬圍巖在不斷開挖與施工中的各種狀況，現(xiàn)對永定莊礦W1319工作面使用FLAC軟件進(jìn)行建模，分析W1319進(jìn)風(fēng)巷道在沿空留巷過程中，圍巖應(yīng)力、變形與塑性區(qū)分布狀況[5-6]。

3.1 數(shù)值模型建立

建立數(shù)值模擬可以研究不同時(shí)期(如第97頁圖5)掘巷、W1318回采、W1319回采時(shí)期W1319進(jìn)風(fēng)順槽的應(yīng)力、位移與塑性區(qū)變化狀況，依據(jù)現(xiàn)場情況建立220 m×120 m×38.52 m的模型，上部施加10.52 MPa載荷代替上部巖層，位移約束其余邊界，采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則模型，模擬對所需W1319進(jìn)風(fēng)順槽巖石力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖5 沿空留巷多次擾動(dòng)示意圖

表2 數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)表

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 未受擾動(dòng)期間

W1319進(jìn)風(fēng)順槽附近區(qū)域在未受擾動(dòng)期間的垂直應(yīng)力分布狀態(tài)如圖6所示。

圖6 未受擾動(dòng)期間垂直應(yīng)力

由圖6可知，W1319進(jìn)風(fēng)順槽所在巖層未受采掘擾動(dòng)時(shí)垂直應(yīng)力峰值為10.63 MPa，大多數(shù)區(qū)域處于原巖應(yīng)力區(qū)且應(yīng)力分布較為均勻，此時(shí)即為原巖應(yīng)力，研究W1319進(jìn)風(fēng)順槽分別再掘巷、一次回采、二次回采巷道圍巖與此時(shí)應(yīng)力對比，可直觀分析出不同時(shí)期W1319進(jìn)風(fēng)順槽所受應(yīng)力大小。

3.2.2 掘進(jìn)影響期間

掘巷后，得W1319進(jìn)風(fēng)順槽附近區(qū)域應(yīng)力云圖、位移云圖和塑性區(qū)云圖如圖7所示。

圖7 掘進(jìn)期間

根據(jù)上述模擬效果可知：

1) 掘進(jìn)期間W1319進(jìn)風(fēng)順槽巷道頂板6.5 m處圍巖應(yīng)力開始降低，垂直應(yīng)力最大值為19.3 MPa。

2) 掘進(jìn)期間巷道頂板塑性區(qū)深度3 m，兩幫塑性區(qū)深度為2.7 m。

3) 掘進(jìn)期間巷道頂板下沉量77 mm，最大底鼓量為34 mm，巷道煤柱幫移進(jìn)量為60 mm。

3.2.3 W1318工作面回采影響期間

一次回采且應(yīng)力穩(wěn)定后，得W1319進(jìn)風(fēng)順槽應(yīng)力云圖、位移云圖和塑性區(qū)圖如圖8所示。

圖8 W1318工作面回采影響期

1) 煤層超0.5 m處為應(yīng)力降低區(qū)，最大范圍在3 m內(nèi)，煤幫5 m～8 m范圍應(yīng)力集中，一度達(dá)31.3 MPa，為原巖應(yīng)力2.94倍。

2) W1319工作面的回采導(dǎo)致W1319進(jìn)風(fēng)順槽圍巖塑性區(qū)范圍發(fā)生了很大的變化，W1319回風(fēng)順槽幫部塑性區(qū)范圍達(dá)到6.5 m左右，位于側(cè)向支撐壓力峰值外側(cè)0.5 m左右。

3) 巷道頂板下沉量達(dá)500 mm，底鼓量為85 mm，煤柱幫移進(jìn)量多達(dá)400 mm，其中，煤柱幫部0 m～3 m附近整體位移量為400 mm。

3.2.4 W1319工作面回采影響期間

二次采動(dòng)后W1319進(jìn)風(fēng)順槽附近區(qū)域應(yīng)力云圖、位移云圖和塑性區(qū)云圖如圖9所示。

1) 可見煤柱一側(cè)應(yīng)力集中，最大達(dá)29.1 MPa，

圖9 W1319工作面回采期間

巷旁支護(hù)體頂端應(yīng)力集中，達(dá)31.5 MPa，柔模支護(hù)體頂端應(yīng)力31.5 MPa。柔模頂部集中應(yīng)力最高達(dá)到57 MPa，是原巖應(yīng)力的4.7倍。

2) 煤柱幫塑性區(qū)深度在6.5 m，相應(yīng)塑性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，范圍從巷道頂板一直延伸到上部圍巖深部。

3) W1319進(jìn)風(fēng)巷道頂板下沉量達(dá)515 mm，煤柱幫移進(jìn)量413 mm，W1319進(jìn)風(fēng)巷道變形量不大。

采取無煤柱開采后，W1319進(jìn)風(fēng)巷道在一次掘巷、W1318一次回采、W1319二次回采時(shí)巷道圍巖變形總體都不大，滿足正常生產(chǎn)需求，故采用無煤柱開采可行。

4 結(jié)論

1) 構(gòu)建了沿空留巷力學(xué)模型，分析可知W1319進(jìn)風(fēng)巷道厚硬頂板條件對沿空留巷非常不利。計(jì)算得懸頂長度小于8.63 m，這表明懸臂的初次作用在W1319進(jìn)風(fēng)巷道的圍巖上。

2) 模擬了W1319進(jìn)風(fēng)順槽在不同時(shí)期：掘巷、一次采動(dòng)、本工作面二次擾動(dòng)的應(yīng)力回采工程中應(yīng)力、位移與塑性區(qū)變化。

3) W1319進(jìn)風(fēng)順槽在掘巷時(shí)所受圍巖應(yīng)力較小，但在二次擾動(dòng)后回采時(shí)巷道變形量：頂板下沉量515 mm左右，煤柱幫移進(jìn)量413 mm左右，巷道總體變形量不大，可采用無煤柱開采。