矸石充填開(kāi)采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

姚岐樺

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 043300）

引言

隨著易開(kāi)采煤層逐步完成開(kāi)采，煤層開(kāi)采的重點(diǎn)已經(jīng)逐步向著賦存條件較為復(fù)雜的煤層轉(zhuǎn)移，這使得煤層開(kāi)采的效率得到了一定的制約。為了實(shí)現(xiàn)煤層的快速高效開(kāi)采，我國(guó)學(xué)者提出固體充填開(kāi)采技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的核心是利用廢棄矸石對(duì)工作面進(jìn)行充填，控制巷道的覆巖，實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的兼顧。對(duì)拉充填工作面開(kāi)采技術(shù)是在原有固體充填基礎(chǔ)上的一種新的嘗試，對(duì)拉充填工作面的穩(wěn)定性是決定此項(xiàng)可否實(shí)施的重要因素，所以對(duì)對(duì)拉充填工作面的穩(wěn)定性進(jìn)行研究是十分重要的。李永明,劉長(zhǎng)友[1]利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟對(duì)不同錯(cuò)距和充實(shí)率下圍巖應(yīng)力分布及巷道變形進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，下工作面的超前段上隅角處支承應(yīng)力集中較為明顯，且隨著錯(cuò)距的增大應(yīng)力集中現(xiàn)象不斷增強(qiáng)，當(dāng)對(duì)拉充填工作面錯(cuò)距設(shè)定為5 m，充實(shí)率為90%時(shí)，此時(shí)固體充填開(kāi)采效率最高。本文為了對(duì)對(duì)拉充填工作面穩(wěn)定性進(jìn)行研究，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)對(duì)拉充填工作面的礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行研究，為礦山安全生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 礦井概況及不同錯(cuò)距下巷道穩(wěn)定性研究

杜家溝礦位于山西河津市清澗鎮(zhèn)西北3 km，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60 萬(wàn)t/a，2-105 工作面主要開(kāi)采2#、10#煤層，開(kāi)采深度標(biāo)高為+840 m～+600 m,井田呈不規(guī)則多邊形，南北長(zhǎng)4.6 km，東西寬4.5 km，面積9.89 km2。隨著開(kāi)采深度的增加，巷道不穩(wěn)定等各種問(wèn)題逐步凸顯。

對(duì)拉填充工作面的礦壓顯現(xiàn)情況一般與對(duì)拉填充工作面的覆巖巖性、矸石壓實(shí)性質(zhì)、采高、錯(cuò)距長(zhǎng)度等有關(guān)，所以在對(duì)其進(jìn)行研究時(shí)需要單一變量，本文選定最佳錯(cuò)距長(zhǎng)度5 m，對(duì)不同充實(shí)率下的對(duì)拉填充工作面圍巖變形及覆巖的運(yùn)移進(jìn)行研究。首先選定杜家溝礦為研究背景進(jìn)行數(shù)值模擬建模，數(shù)值模擬軟件選定FLAC3D，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況建立模型的長(zhǎng)寬高分別為450 m、235 m、36 m。根據(jù)地質(zhì)情況對(duì)模型的力學(xué)屬性進(jìn)行設(shè)定，完成模型設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行約束設(shè)定，將模型的地面進(jìn)行固定，限制其水平及垂直方向的位移，對(duì)模型四邊施加水平約束，限制其水平方向上的位移，同時(shí)設(shè)定工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為300 m，設(shè)定模型的重力加速度為9.8 m/s2，在模型上端施加覆巖的自重10 MPa 的均布載荷，為了避免出現(xiàn)模型的邊界出現(xiàn)邊界效應(yīng)，所以在模型的長(zhǎng)寬分別留出50 m 和30 m 的邊界，完成約束設(shè)定后對(duì)模性進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分對(duì)模擬十分重要，網(wǎng)格劃分太粗影響模擬精度，網(wǎng)格劃分過(guò)細(xì)加大計(jì)算時(shí)間且計(jì)算不易收斂，所以本文選定brick 建模單元，本構(gòu)關(guān)系選定摩爾庫(kù)倫模型，模型劃分完成后共有301320 個(gè)單元和321456 個(gè)節(jié)點(diǎn)[2]。錯(cuò)距為5 m時(shí)對(duì)拉充填模型圖，如圖1 所示。

圖1 錯(cuò)距為5m 時(shí)對(duì)拉充填模型圖

2-105 工作面利用三條巷道布置兩個(gè)同時(shí)工作的工作面，成為對(duì)拉工作面，模擬選定的錯(cuò)距為0、5、20 和50 m，選定充實(shí)率為90%進(jìn)行研究，對(duì)不充實(shí)率下的礦壓顯現(xiàn)及運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，不同錯(cuò)距下巷道圍巖應(yīng)力分布情況，如第176 頁(yè)圖2 所示。

圖2 不同錯(cuò)距下中間巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

從圖2 可以看出，當(dāng)錯(cuò)距為0 m 時(shí)，此時(shí)巷道頂板及兩幫位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力大致呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)的趨勢(shì)，此時(shí)的應(yīng)力峰值為15.3 MPa，當(dāng)上下工作面有錯(cuò)距且錯(cuò)距為5 m 時(shí)，此時(shí)在左幫和頂板位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力的峰值為16.1 MPa，此時(shí)的應(yīng)力峰值較無(wú)錯(cuò)距下增大了0.8 MPa，當(dāng)上下工作面錯(cuò)距為20 m 時(shí)，此時(shí)巷道應(yīng)力集中部位仍為左幫及頂板位置，此時(shí)的應(yīng)力峰值為17 MPa，較無(wú)錯(cuò)距應(yīng)力峰值增大了1.7 MPa，當(dāng)上下巷道錯(cuò)距為50 m 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力集中出現(xiàn)在頂板位置，應(yīng)力峰值為17.5 MPa，較無(wú)錯(cuò)距時(shí)應(yīng)力峰值增大了2.2 MPa?？梢钥闯?，隨著上下巷道錯(cuò)距的不斷增大，巷道的應(yīng)力峰值逐步增大。這是由于隨著上下上到錯(cuò)距的增大，錯(cuò)距段會(huì)含有下工作面的超前支撐應(yīng)力峰值，所以在錯(cuò)距段內(nèi)壓力顯現(xiàn)較為劇烈，此時(shí)的錯(cuò)距較大使得超前支撐段長(zhǎng)度及支護(hù)強(qiáng)度都有一定的提升，十分不利用頂板的管理。所以滿(mǎn)足機(jī)頭布置和留巷空間的前提下應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低上下工作面錯(cuò)距，所以最佳的上下工作面錯(cuò)距為5 m[3]。

2 不同充實(shí)率下巷道穩(wěn)定性研究

對(duì)工作面錯(cuò)距為5 m 時(shí)，對(duì)拉充填工作面充實(shí)率為50%、60%、70%和90%下的中間巷道圍巖變形情況及覆巖運(yùn)移情況進(jìn)行研究，模擬云圖，如圖3 所示。

圖3 不同充實(shí)率下巷道垂直應(yīng)力分布云圖

根據(jù)圖3 不同充實(shí)率下巷道垂直應(yīng)力分布云圖可以看出，在下部工作面的前端位置出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時(shí)的巷道的應(yīng)力集中極易造成巷道圍巖的嚴(yán)重變形，隨著充實(shí)率的不斷增大，巷道應(yīng)力集中現(xiàn)象逐步降低，巷道的穩(wěn)定性在逐步提升，巷道的維護(hù)成本逐步降低。當(dāng)充實(shí)率為50%時(shí)，此時(shí)的巷道應(yīng)力峰值為35.3 MPa，當(dāng)充實(shí)率增大至60%時(shí)，此時(shí)的巷道圍巖的應(yīng)力峰值為33.5 MPa，應(yīng)力峰值較充實(shí)率50%降低了1.8 MPa，當(dāng)充實(shí)率為70%時(shí)，此時(shí)巷道圍巖的應(yīng)力峰值為31.2 MPa，應(yīng)力峰值較充實(shí)率50%降低了4.1 MPa，當(dāng)充實(shí)率增大至90%時(shí)，此時(shí)的巷道的應(yīng)力峰值降低至26.6 MPa，應(yīng)力峰值較充實(shí)率50%降低了8.7 MPa，可以看出隨著充實(shí)率的逐步增大，巷道圍巖的應(yīng)力峰值逐步降低，同時(shí)使得巷道變形量減小，降低了巷道的維護(hù)成本[4]。

對(duì)不同充實(shí)率下的直接頂下沉量進(jìn)行研究，直接頂在不同充實(shí)率下的下沉曲線，如圖4 所示。

圖4 不同充實(shí)率下直接頂下沉曲線

可以看出不同充實(shí)率下直接頂?shù)南鲁亮侩S著距離中間巷道的距離增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在距離為150 m 時(shí)取到最大值。隨著充實(shí)率的增大，直接頂?shù)南鲁亮恐鸩皆龃?，?dāng)充填率為50%時(shí)，此時(shí)直接頂?shù)南鲁亮孔畲笾禐? 610 mm，當(dāng)充填率增大至60%時(shí)，此時(shí)的直接頂?shù)南鲁亮孔畲笾禐? 200 mm，較充填率50%時(shí)減小了410 mm，當(dāng)充填率增大至90%時(shí)，此時(shí)的直接頂下沉量最小為300 mm，可以看出隨著充填率的增大，巷道直接頂下沉量逐步降低，巷道直接頂?shù)姆€(wěn)定性逐步提升，巷道圍巖整體性較好[5]。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同錯(cuò)距下中間巷道圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著錯(cuò)距的增大巷道應(yīng)力峰值逐步增大，巷道穩(wěn)定性降低，且最佳合理錯(cuò)距5 m。

2）通過(guò)對(duì)不同充實(shí)率下的巷道圍巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，可以看出隨著充實(shí)率的不斷增大，巷道圍巖承受的應(yīng)力最大值逐步降低。

3）通過(guò)對(duì)不同充實(shí)率下巷道直接頂?shù)淖冃瘟窟M(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著充填率的增大，巷道直接頂?shù)南鲁亮恐鸩浇档?，巷道穩(wěn)定性較好。