原巷充填開(kāi)采推進(jìn)速度對(duì)圍巖應(yīng)力的作用分析

魏生喜

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

煤炭是我國(guó)主要的能源形式，隨著煤炭資源的不斷開(kāi)采利用，煤炭的深度開(kāi)采已成為當(dāng)下煤礦開(kāi)采的主要形式。由于深度開(kāi)采的巷道受到煤層埋深、構(gòu)造應(yīng)力及采動(dòng)作用的影響，使得深度開(kāi)采的巷道煤柱寬度逐漸增加，并且不易進(jìn)行維護(hù)，從而造成采場(chǎng)的巷道維護(hù)困難、回采率低等問(wèn)題，不利于煤炭的開(kāi)采利用[1]。針對(duì)巷道的埋深較大且回采率較低的情況，原巷充填開(kāi)采成為有效的開(kāi)采方式，并取得了成功的應(yīng)用。原巷充填開(kāi)采可以通過(guò)充填物來(lái)消除煤柱應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而解放下層煤層，實(shí)現(xiàn)安全掘進(jìn)采煤；采用的充填物質(zhì)具有較強(qiáng)的支撐作用及密閉性，避免了漏風(fēng)、瓦斯泄漏等問(wèn)題；在開(kāi)采過(guò)程中，具有極好的定向性，減少了采空區(qū)內(nèi)的煤柱，提高了煤炭的回收率[2]。在進(jìn)行原巷充填開(kāi)采的過(guò)程中，由于對(duì)充填的巷道圍巖應(yīng)力變化的研究相對(duì)較少，使得開(kāi)采效率受到一定影響，因此，本文通過(guò)采用仿真分析的方式，對(duì)開(kāi)采過(guò)程中推進(jìn)速度造成的圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行分析，從而可以選擇適當(dāng)?shù)耐七M(jìn)速度，以提高開(kāi)采效率。

1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

采用FLAC數(shù)值仿真分析軟件，對(duì)原巷充填開(kāi)采的圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行仿真模擬，建立原巷充填開(kāi)采的工作面模型。依據(jù)某礦井的實(shí)際地質(zhì)條件，其直接頂由泥巖和細(xì)砂巖組成，工作面的老頂由粉細(xì)砂巖組成，底板主要由底泥巖組成，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。采用FLAC3D三維差分軟件建立原巷充填開(kāi)采的模型[3]，設(shè)定模型的總體尺寸為1 290 m×203 m×248 m（長(zhǎng)×寬×高），建立的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 原巷充填開(kāi)采仿真模型

設(shè)定模型中含有頂?shù)装鍘r層，巖層的平均角度為7°，巷道的斷面設(shè)置采用四邊形結(jié)構(gòu)，充填寬度為3 m，依據(jù)工作面的實(shí)際深度，在模型頂部施加13.5 MPa的均布載荷，并對(duì)開(kāi)采過(guò)程中推進(jìn)速度引起的圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行分析[4]。

2 推進(jìn)速度對(duì)圍巖應(yīng)力作用的仿真分析

對(duì)推進(jìn)速度產(chǎn)生的影響作用進(jìn)行仿真分析，在模擬過(guò)程中，采用隨采隨充的方式，充填的速度與開(kāi)采的速度相一致。在開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)改變巷道的充填速度來(lái)對(duì)圍巖的應(yīng)力、位移進(jìn)行分析。設(shè)定推進(jìn)速度分別為4 m/d及6 m/d兩種不同的工況，由此展開(kāi)模擬分析。

2.1 推進(jìn)速度對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響

通過(guò)對(duì)開(kāi)采推進(jìn)過(guò)程中圍巖的應(yīng)力作用進(jìn)行分析，得到巷道的應(yīng)力變化圖，如下頁(yè)圖2所示。又對(duì)不同推進(jìn)速度下、不同位置處得到的應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到巷道垂直應(yīng)力隨工作面距離的變化情況，如下頁(yè)圖3所示。

圖2 巷道的應(yīng)力（MPa）變化仿真

從圖3中可以看出，隨著原巷充填開(kāi)采的推進(jìn)速度的變化，圍巖的應(yīng)力變化在整體趨勢(shì)上保持一致，應(yīng)力的大小變化差值較大。在工作面以4 m/d的推進(jìn)速度工作時(shí)，在巷道工作面前方1～6 m時(shí)垂直應(yīng)力逐漸升高，在6 m左右的位置處出現(xiàn)最大應(yīng)力；在工作面以6 m/d的推進(jìn)速度工作時(shí)，在巷道工作面前方1～4 m左右的位置處出現(xiàn)最大應(yīng)力。兩種不同推進(jìn)速度下的巷道主要承受的采動(dòng)作用相差不大，巷道的垂直應(yīng)力相似。隨著工作面的推進(jìn)，巷道的垂直應(yīng)力逐漸降低，且下降的速度隨著工作面的推進(jìn)逐漸減小，在巷道前方60 m處較遠(yuǎn)位置時(shí)，兩者之間的巷道垂直應(yīng)力基本保持穩(wěn)定，兩者間的數(shù)值相差不大。由此可知，在工作面前方的相同距離處，工作面的推進(jìn)速度對(duì)垂直應(yīng)力具有較大的影響，推進(jìn)速度越快，巷道的垂直應(yīng)力越小，且隨著工作面距離的增加，巷道的垂直應(yīng)力下降趨勢(shì)一致，影響程度也逐漸減弱，垂直應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，推進(jìn)速度較快的巷道垂直應(yīng)力較小[5]。這說(shuō)明，充填開(kāi)采的過(guò)程中，充填物質(zhì)對(duì)于巷道起到了支承作用，降低了巷道的圍巖應(yīng)力。

圖3 巷道垂直應(yīng)力隨工作面距離的變化

2.2 推進(jìn)速度對(duì)圍巖位移分布的影響

通過(guò)對(duì)開(kāi)采推進(jìn)過(guò)程的位移作用進(jìn)行分析，得到巷道的位移變化如圖4所示，對(duì)不同的推進(jìn)速度下不同位置處得到的位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到巷道頂?shù)装逦灰齐S工作面距離的變化情況，如圖5所示。

圖4 巷道的位移（mm）變化仿真

圖5 巷道頂?shù)装逦灰齐S工作面距離的變化

從圖5中可以看出，在采用相同充填條件進(jìn)行開(kāi)采的情況下，不同推進(jìn)速度下的圍巖頂?shù)装逦灰谱兓厔?shì)保持一致，但在位移變化的數(shù)值上有一定的差距。在工作面前方1 m左右的位置處，兩者主要受采動(dòng)作用的影響，兩者之間的位移相差不大；隨著工作面距離的增加，在2～13 m的范圍內(nèi)，當(dāng)工作面以4 m/d的推進(jìn)速度工作時(shí)，巷道頂板的位移下降值與工作面以6 m/d的速度推進(jìn)過(guò)程中的位移下降值相差不大；在13～24 m的范圍內(nèi)，隨著工作面的推進(jìn)，巷道頂板的位移下降值有所減緩，下沉量減小；在巷道前方60 m處的較遠(yuǎn)位置時(shí)，兩者之間的巷道位移保持穩(wěn)定，推進(jìn)速度為6 m/d的下沉量保持較小的數(shù)值。由此可知，在工作面不同的推進(jìn)速度下，巷道頂?shù)装宓奈灰屏侩S著工作面前方距離的增加而逐漸降低，且推進(jìn)速度較大時(shí)的位移量較小。隨著工作面的推進(jìn)，巷道的頂?shù)装逦灰屏口呌诜€(wěn)定，不再變化，這說(shuō)明推進(jìn)速度對(duì)頂?shù)装宓奈灰朴绊懼饾u減弱[6]。這說(shuō)明，在進(jìn)行充填開(kāi)采的過(guò)程中，采用較快的充填速度，更利于充填物對(duì)巷道的穩(wěn)定維持，減少巷道支護(hù)，加強(qiáng)了支護(hù)作用。

3 結(jié)語(yǔ)

原巷充填開(kāi)采可以提高資源的回收率，保證開(kāi)采過(guò)程的安全，是行之有效的開(kāi)采方式。在開(kāi)采過(guò)程中，推進(jìn)速度會(huì)影響開(kāi)采效率，采用仿真分析的方式分析了推進(jìn)速度對(duì)圍巖應(yīng)力的影響作用。結(jié)果表明，隨著工作面的推進(jìn)，在充填速度較快的巷道中，充填物質(zhì)對(duì)頂板起到較好的支承作用，巷道的垂直應(yīng)力及頂?shù)装宓奈灰凭尸F(xiàn)較小值，巷道的穩(wěn)定性較高。在開(kāi)采過(guò)程中，可適當(dāng)提高掘進(jìn)速度，從而提高煤礦的開(kāi)采效率。