綜放工作面卸壓巷布設(shè)參數(shù)的數(shù)值模擬分析

＊聶于斐

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦 山西 037037）

在綜采面回采的過(guò)程中，容易加劇應(yīng)力增高帶相互重疊的程度。卸壓開(kāi)采，指利用應(yīng)力轉(zhuǎn)移的原理，采取一定的卸壓措施，將工作面回采區(qū)域的較高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到周?chē)?，從而降低回采區(qū)內(nèi)的應(yīng)力，改善原有的應(yīng)力分布形態(tài)，以實(shí)現(xiàn)順利開(kāi)采[1]。關(guān)于卸壓開(kāi)采方面的研究，國(guó)內(nèi)外在現(xiàn)場(chǎng)方面進(jìn)步較大，通過(guò)改變采掘順序，煤層預(yù)注水，爆破卸壓，合理支護(hù)等措施來(lái)控制[2]。在理論方面，從定性到定量的分析轉(zhuǎn)變，再到有限元的數(shù)值計(jì)算等，開(kāi)展了大量研究，但在數(shù)值方法上仍進(jìn)展緩慢，究其原因在于未能清楚認(rèn)識(shí)卸壓的機(jī)制，無(wú)法建立卸壓力學(xué)的分析模型；在實(shí)驗(yàn)上，由于受到設(shè)備材料和地質(zhì)環(huán)境的限制，模擬卸壓開(kāi)采難度很大。因此，對(duì)于卸壓開(kāi)采，在理論和實(shí)踐上需要更多的研究探索。開(kāi)掘卸壓巷道法便是卸壓開(kāi)采諸多方法中的一種，通過(guò)在護(hù)巷煤柱中與巷道隔一定距離掘一條可以卸壓的巷道，這條護(hù)巷煤柱必須鄰近采空區(qū)，這樣一來(lái)原來(lái)較大的煤柱就被分成了兩個(gè)小煤柱，使得靠近采空區(qū)的承載煤柱主要負(fù)載了它的壓力，而鄰近巷道的煤柱承擔(dān)壓力大大減少,因此回采巷道便處于了低應(yīng)力區(qū)內(nèi)[3]。本文以某礦綜放工作面為主要研究對(duì)象，在順槽巷的護(hù)巷煤柱中開(kāi)掘卸壓巷進(jìn)行科研嘗試。通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了在護(hù)巷煤柱中開(kāi)掘卸壓巷對(duì)臨空開(kāi)采動(dòng)壓治理的可行性。

1.理論公式

通常在煤層未開(kāi)采時(shí)，煤層以及圍巖中賦存的瓦斯保持著壓力平衡的狀態(tài)，而工作面回采打破了這種狀態(tài)，促使其壓力被迫重新分布，卸壓巷則利用此規(guī)律通過(guò)降低順槽巷道圍巖應(yīng)力來(lái)達(dá)到減小巷道變形的目的，但是前提要求必須在護(hù)巷煤柱中開(kāi)掘。巷道布置及應(yīng)力分布如圖1所示。

圖1 巷道布置與應(yīng)力分布

對(duì)卸壓巷作用有影響的一些預(yù)置參數(shù)主要有：煤柱中卸壓巷的水平布設(shè)地點(diǎn)，垂直布設(shè)方位，截面尺寸，支護(hù)的強(qiáng)度等[4-5]。該礦已開(kāi)采到石炭二疊紀(jì)特厚煤層，一、二兩個(gè)盤(pán)區(qū)回采面臨空開(kāi)采遇見(jiàn)了嚴(yán)重的礦壓顯現(xiàn)，在尾巷超前40m之內(nèi)，頂板出現(xiàn)下沉，底板鼓起、兩幫變形非常嚴(yán)重，整個(gè)巷道最低處不足2m，頂板來(lái)壓時(shí)超前支柱鉆底歪斜、鋼帶出現(xiàn)斷裂、錨桿錨索不起作用等狀況，部分區(qū)域發(fā)生礦壓應(yīng)力異常集中釋放事件危害了礦井生產(chǎn)安全。通過(guò)研究一盤(pán)區(qū)8106工作面，用5106順槽巷做試驗(yàn)，在它的護(hù)巷煤柱中開(kāi)掘卸壓巷，考慮到試驗(yàn)的安全性，開(kāi)掘卸壓巷的截面暫定為4m×3.1m，順槽巷的支護(hù)強(qiáng)度要略高于卸壓巷的支護(hù)強(qiáng)度。關(guān)于選取卸壓巷位置的合理選取[6]，公式如下[7]：

(1)讓壓煤柱的總荷載

式中，H為巷道埋深（H=500m）；γ為上覆巖層的容重（γ=25kN/m3）；d為卸壓巷寬度；b為巷道寬度；Ln為讓壓煤柱寬度；Lp為加載帶寬。

(2)讓壓煤柱承受的極限荷載

式中，M為卸壓巷的高度；R為讓壓煤柱的抗壓強(qiáng)度（極限條件下），因室內(nèi)煤樣的抗壓強(qiáng)度在27～37MPa之間，所以取其平均值32MPa，強(qiáng)度折減系數(shù)取0.284，故讓壓煤柱在極限條件下的抗壓強(qiáng)度取9.08MPa。

(3)讓壓煤柱寬度

式中，k表示回采面超前承載壓力的集中系數(shù)，一般取值為3。聯(lián)立上述幾個(gè)公式計(jì)算可得讓壓煤柱的寬度Ln=14.07m，取整Ln=15m。因此通過(guò)計(jì)算可知，順槽和卸壓巷之間的煤柱寬度大約為15m。

2.開(kāi)掘卸壓巷后的煤柱壓力分析

利用可以分析巖石真實(shí)破裂過(guò)程的軟件，簡(jiǎn)稱(chēng)RFPA系統(tǒng)，來(lái)對(duì)開(kāi)掘卸壓巷進(jìn)行數(shù)值模擬，該系統(tǒng)在對(duì)巖石材料非均勻特點(diǎn)以及受到破壞的過(guò)程方面仿真度很高。在數(shù)值計(jì)算的計(jì)算單元這塊，RFPA系統(tǒng)通過(guò)并入巖石材料的非均質(zhì)性參數(shù)來(lái)真實(shí)展現(xiàn)出巖層所有不符合線彈性本構(gòu)的其他本構(gòu)關(guān)系，諸如彈性類(lèi)，塑性類(lèi)和損傷類(lèi)等非線性本構(gòu)關(guān)系。此外基本所有單元的力學(xué)參數(shù)都服從統(tǒng)計(jì)學(xué)中的分布，受到外力的時(shí)候僅僅體現(xiàn)兩種狀態(tài)（破壞或者不破壞），被破壞后承載能力大幅下降，相應(yīng)就增加了周?chē)渌鼏卧?fù)載，從而形成了應(yīng)力集中的區(qū)域，這樣一來(lái)其周?chē)鷱?qiáng)度比較弱的單元就進(jìn)一步被破壞，在破壞的單元相連后產(chǎn)生了更大的應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致破壞的數(shù)量大幅上漲，連成一片，最終出現(xiàn)了宏觀裂紋[8]。所以RFPA系統(tǒng)可以對(duì)裂紋的萌生、擴(kuò)展以及回采工作面的推進(jìn)時(shí)底板不斷破斷的過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。這在傳統(tǒng)的有限單元法中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

回采面的礦壓破壞了巷道圍巖，主要由兩方面原因：一方面由于受到回采面的超前支護(hù)壓力以及上下平巷兩側(cè)的固定支承壓力的壓縮；另一方面隨著工作面推進(jìn)，頂板老頂巖梁超前斷裂等情況的出現(xiàn)破壞了應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致其急劇變化，實(shí)驗(yàn)在距離順槽留設(shè)15m煤柱開(kāi)卸壓巷，圖2為開(kāi)掘卸壓巷后，回采面分別采到60m、120m、180m、210m時(shí)，上覆巖層與底板變形、跨落及相應(yīng)的剪應(yīng)力動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。在圖中灰度的亮暗代表應(yīng)力的大小，如果灰度越來(lái)越亮，則表示應(yīng)力越來(lái)越大，反之灰度越暗，應(yīng)力越小。

圖2 卸壓巷布置及應(yīng)力分布圖

圖3～4為圖2(c)中順槽兩側(cè)煤柱與煤體剪應(yīng)力分布曲線。當(dāng)煤柱和采空區(qū)相差大約8m時(shí)，與采空區(qū)相鄰一側(cè)的順槽頂?shù)装宓募魬?yīng)力最大接近12MPa。

圖3 卸壓巷形成后順槽頂板剪應(yīng)力分布規(guī)律

圖4 卸壓巷形成后順槽底板剪應(yīng)力分布規(guī)律

數(shù)值模擬結(jié)果表明：

（1）由于受到開(kāi)采的影響導(dǎo)致應(yīng)力得到釋放，回采面煤壁的支承壓力值不大；遠(yuǎn)離采區(qū)的地方支承壓力值總體變化大概是：先升高到峰值，然后開(kāi)始降低到原巖應(yīng)力狀態(tài)。

（2）在工作面不斷向前推進(jìn)時(shí)，采空區(qū)慢慢變大，采空區(qū)煤體最初承載的上覆巖層的重量轉(zhuǎn)移到兩側(cè)煤壁，采空區(qū)上方的巖梁斷裂變多，破壞了煤壁前面的煤層。

（3）隨著工作面向前不斷推進(jìn)以及初次來(lái)壓結(jié)束后，采區(qū)以外由于開(kāi)采煤層空間增大，其煤柱支撐的上覆巖體重量慢慢增大，所受的支承壓力也不斷變大，煤體、巖層達(dá)到塑性態(tài)，頂板開(kāi)始跨落、出現(xiàn)底鼓。

（4）當(dāng)工作面向前推進(jìn)到120～210m范圍時(shí)，集中應(yīng)力逐漸升高變強(qiáng)，煤壁支撐應(yīng)力比原始應(yīng)力大約3～4倍，推進(jìn)180m時(shí)最大應(yīng)力值為49MPa左右，在工作面前面15～29m深的地方，頂板均出現(xiàn)下沉，最大525mm深，底板大概150mm，兩幫位移量超過(guò)260mm，頂板遭遇拉剪力作用，超前6m范圍內(nèi)的圍巖也是如此。

3.卸壓效果分析

為了比較卸壓巷的卸壓效果，圖5～6是對(duì)有無(wú)卸壓巷時(shí)上述兩種應(yīng)力曲線的比較。

圖5 頂板剪應(yīng)力分布規(guī)律

圖6 底板剪應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)圖5～6所示，卸壓巷開(kāi)掘之后煤柱頂板、底板所受剪應(yīng)力大幅減少，最大幾乎減小一半。分析比較頂板剪應(yīng)力，最大剪應(yīng)力從23MPa左右降到約12MPa，約減少48%，底板最大應(yīng)力從22MPa左右降到約12MPa，減少了45%。

4.結(jié)論

（1）通過(guò)礦壓理論分析和計(jì)算，并對(duì)回采工作面臨空開(kāi)采區(qū)段護(hù)巷煤柱內(nèi)預(yù)置卸壓巷進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到理論上護(hù)巷煤柱中開(kāi)掘卸壓巷的合理位置為煤柱中距順槽巷15m，并確定現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)卸壓巷設(shè)置參數(shù)為：截面尺寸為4m×3.1m，支護(hù)強(qiáng)度略低于順槽巷道，沿煤層底部開(kāi)掘；同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)巷道在臨空開(kāi)采擾動(dòng)下動(dòng)壓顯現(xiàn)特征及試驗(yàn)卸壓巷的布設(shè)特征，得到8106工作面護(hù)巷煤柱中卸壓巷的合理開(kāi)掘位置應(yīng)該位于煤柱中距順槽巷15～29m之間。

(2）深入分析了回采面推進(jìn)過(guò)程中剪應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，通過(guò)比較分析有無(wú)卸壓巷時(shí)的應(yīng)力曲線得出，巷道圍巖應(yīng)力，煤柱承載的壓力以及受到的剪應(yīng)力在開(kāi)掘卸壓巷后下降幅度明顯，可以達(dá)到卸壓的效果。