顏秉超 韓 春 張貴銀 徐寧輝 孫 路

(1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

復(fù)合頂板條件下沿空留巷力學(xué)參數(shù)研究

顏秉超1韓 春2張貴銀2徐寧輝2孫 路2

(1.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

以軍城煤礦31203復(fù)合頂板薄煤層綜采工作面為工程背景，在采用無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立了沿空留巷圍巖力學(xué)模型，對(duì)巷旁支護(hù)阻力、切頂力學(xué)參數(shù)、頂板下沉量等進(jìn)行了計(jì)算，并采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了復(fù)雜頂板條件下薄煤層大斷面沿空留巷力學(xué)參數(shù)，為該礦復(fù)合頂板條件下薄煤層大斷面沿空留巷力學(xué)參數(shù)的確定提供了理論依據(jù)。

復(fù)合頂板 薄煤層 大斷面 沿空留巷 力學(xué)模型

沿空留巷就是工作面采煤后，沿采空區(qū)邊緣維護(hù)原回采巷道,與留煤柱護(hù)巷相比，不僅可以減少區(qū)段煤柱損失，還可以減少大量巷道掘進(jìn)工程量。沿空留巷的成功是煤礦開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大技術(shù)進(jìn)步[1]。山東東山軍城能源開(kāi)發(fā)有限公司軍城煤礦31203工作面為復(fù)合頂板薄煤層綜采工作面，主采12下煤，為較穩(wěn)定煤層，均厚1.2 m，傾角0°～16°，無(wú)結(jié)核，局部含一層夾矸，夾矸巖性為砂質(zhì)泥巖，厚度0.05 m。煤巖層總體形態(tài)為一向西北傾伏的簡(jiǎn)單單斜構(gòu)造，工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，以東有DF8斷層，其中正斷層6條，逆斷層2條，落差大于1.5 m的有3條，其中4#斷層落差為6 m。

1 沿空留巷圍巖力學(xué)分析

1.1 力學(xué)模型的建立

以往建立的沿空留巷圍巖控制模型在研究支護(hù)—圍巖相互作用關(guān)系時(shí)，一般只考慮巷旁支護(hù)與頂板巖層，忽視了巷幫煤體支承對(duì)巷道穩(wěn)定的重要性，并且在大結(jié)構(gòu)形成及其穩(wěn)定性影響方面考慮不夠。根據(jù)基礎(chǔ)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外各礦井采用的沿空留巷，建立沿空留巷巷旁充填圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[2]，如圖1所示。

圖1 沿空留巷力學(xué)結(jié)構(gòu)示意

1.2 巷旁支護(hù)阻力計(jì)算

由沿空留巷力學(xué)模型可知，要以頂板巖梁的斷裂下沉來(lái)計(jì)算巷旁支護(hù)阻力。如圖2所示，考慮巷旁充填體作用的頂板載荷懸臂梁模型,在圖2 (a)中取寬度為1單位的樣條塊段，通過(guò)理論計(jì)算沿空留巷巷旁支護(hù)阻力，所取的樣條如圖2 (b)所示[3]，力學(xué)模型求解如圖2。

圖2 沿空巷旁支護(hù)阻力計(jì)算模型

根據(jù)彈塑性力學(xué)中的力矩平衡法對(duì)圖2中各段求解，設(shè)頂板均布載荷為q，從巷道上方直接頂巖層開(kāi)始計(jì)算，考慮巖層的自重載荷和擾動(dòng)系數(shù)k，其巷旁支護(hù)阻力F1為[4]：

+FN1(a+x0)-MA1-QxQ] ，

(1)

式中，MP1為巖層極限彎矩;FN1為巖層破斷產(chǎn)生向下的剪力;MA1為巖層抗彎彎矩[5]。

簡(jiǎn)化后可得：

+FN1(a+x0)-QxQ] .

(2)

1.3 切頂力計(jì)算

將巷道沿空一側(cè)的頂板看作是一懸臂梁，把頂板的作用力簡(jiǎn)化成為均布載荷，如圖3所示。為了在巷道沿空側(cè)有效切頂，切頂力PC必須滿(mǎn)足以下力學(xué)條件：

圖3 切頂力學(xué)模型

(3)

式中，P1為直接頂與基本頂處于連續(xù)接觸時(shí)，基本頂對(duì)直接頂作用力qE=0.

頂板的極限抗拉強(qiáng)度為：

(4)

式中，q為等效頂板載荷集度;mz為有效抗彎厚度值;[σt]z為實(shí)際抗拉強(qiáng)度;qE為基本頂對(duì)直接頂施加的荷載[7]。

由式4可得：

(5)

代入數(shù)據(jù)，得沿空切頂線單位寬度所需支護(hù)切頂力為

PC=max{P1,P2}=max{104.53,291}=291 kN/m.

1.4 最大頂板下沉量計(jì)算

按老頂來(lái)壓完成時(shí)計(jì)算頂板下沉量，留巷頂板側(cè)向結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 沿空留巷力學(xué)模型

基本頂來(lái)壓完成時(shí)，導(dǎo)致沿空側(cè)LK處的最大頂板下沉量△h為[8]

(6)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及模擬結(jié)果分析，基本頂斷裂線超前煤壁約2 m，即x0=2 m，將巷道寬度La=3.4 m、高度h=3.2 m、KA=1.3、mz=2.01 m、LEZ=35.0 m代入式(5)，計(jì)算得Δh=0.4 m.

2 模型建立

2.1 模型尺寸與邊界條件

把煤層傾向設(shè)為正x方向；煤層走向設(shè)為正y方向；以鉛直向上為正z方向。按照本坐標(biāo)系規(guī)定，計(jì)算模型沿x軸方向的長(zhǎng)度為180 m，工作面長(zhǎng)度110 m；y方向的長(zhǎng)度約150 m，沿z軸方向的高度 50 m。

邊界條件：頂面為應(yīng)力和位移自由邊界，向下施加垂直應(yīng)力；底面為x、y、z全約束，4個(gè)側(cè)面則為法向約束，x-z平面模型示意如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型示意(x-z平面)

2.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時(shí)，應(yīng)充分考慮計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)研究需要，將模型中沿空留巷圍巖部分網(wǎng)格劃分尺寸小一點(diǎn)，剩余部分可適當(dāng)加大尺寸，以減少計(jì)算量，加快程序運(yùn)行。模型中的結(jié)構(gòu)單元類(lèi)型選取為8節(jié)點(diǎn)六面體單元，單元總數(shù)為58 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為59 586個(gè)。建立的三維計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

2.3 數(shù)值模擬參數(shù)選取

該礦煤巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)表

2.4 計(jì)算過(guò)程與模擬方案

計(jì)算模型采用理想彈塑性本構(gòu)模型，材料服從摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。模擬過(guò)程為：模型在自重荷載條件下達(dá)到原巖應(yīng)力平衡→巷道開(kāi)挖和支護(hù)→工作面推進(jìn)巷旁充填→設(shè)置測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)應(yīng)力、位移等參數(shù)→工作面推進(jìn)150 m，分30次連續(xù)推進(jìn)，每次推進(jìn)5 m。

2.5 模型結(jié)果分析

工作面未開(kāi)挖時(shí)、開(kāi)挖20 m時(shí)、開(kāi)挖60 m時(shí)圍巖塑性區(qū)如圖7。

由圖7可以看出，沿空留巷期間巷道圍巖變形具有如下特點(diǎn)：圍巖未受擾動(dòng)時(shí)兩幫的圍巖已經(jīng)產(chǎn)生部分塑性變形；向前推進(jìn)10 m后，巷旁矸石充填部分圍巖變形較為嚴(yán)重，工作面推過(guò)10～40 m，圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化較大，兩幫開(kāi)始出現(xiàn)明顯的變形，且變形速度加快，工作面推過(guò)40 m后，巷道進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的階段，兩幫變形速度降低；工作面推到一定距離以后，煤體仍有微小變形，但整體影響不大。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)彈塑性力學(xué)基礎(chǔ)理論研究，建立了沿空留巷力學(xué)模型，分析了巷旁支護(hù)力、切頂力、頂板下沉量等力學(xué)參數(shù)，研究了沿空留巷巷道圍巖變形與破壞規(guī)律，為軍城礦薄煤層大斷面留巷工作提供理論基礎(chǔ)。

圖7 工作面不同開(kāi)挖長(zhǎng)度圍巖塑性區(qū)

(2)從留巷頂板受力從采動(dòng)覆巖側(cè)向支承壓力分布及工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律入手，以“巖梁運(yùn)動(dòng)為中心”的礦壓內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)理論，分析了沿空留巷圍巖應(yīng)力分布及頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并對(duì)頂板下沉量做了預(yù)測(cè)。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬分析，應(yīng)用有限元程序(FLAC)來(lái)模擬巷旁充填矸石帶和不同巷旁充填矸石帶寬度對(duì)沿空留巷頂板壓力影響及變化情況，為沿空留巷參數(shù)的確定提供了理論依據(jù)。

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Researchonthe Mechanical Parameters of Gob-side Entry Retainingunder the Condition of Composite Roof

Yan Bingchao1Han Chun2Zhang Guiyin2Xu Ninghui2Sun Lu2

(1.Shandong Province Metallurgical Engineering Co.,Ltd.;2.School of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology)

Taking the 31203 full-mechanized working face under composite roof with thin coal seam in the military city coal mine as the engineering background, the mechanical model of surrounding rockabout gob-side entryretaining is established and parameters of the support resistance, cutting off resistance and roof convergence are calculated based on adopting the technology of roadway refused protection coal pillar.Besides that, the mechanical parameters of gob-side entry retaining under the condition of composite roof are researched based on the numerical simulation software FLAC3Dso as to provide theoretical basis for determining the mechanical parameters of gob-side entry retaining under the condition of composite roof with thin seam and large section.

CompositeRoof, Thin seam, Large section, Gob-side entry retaining, Mechanical model

2014-11-10)

顏秉超(1983—)，男，工程師，250101 山東省濟(jì)南市。