王創(chuàng)業(yè) 張 淵 王澤澤

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院)

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沿空留巷頂板活動(dòng)規(guī)律及支護(hù)技術(shù)研究*

王創(chuàng)業(yè) 張 淵 王澤澤

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院)

以Flac3D為數(shù)值模擬工具，以上灣煤礦12上307工作面為研究對(duì)象，模擬沿空留巷采場(chǎng)頂板活動(dòng)規(guī)律，對(duì)影響沿空留巷支護(hù)效果的滯后支護(hù)阻力、距離以及巷旁支護(hù)柔?；炷翉?qiáng)度3個(gè)因素進(jìn)行了分析，選取較經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方案，獲得巷道頂板相關(guān)位移量，通過(guò)實(shí)踐檢測(cè)，證明該支護(hù)方案的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

數(shù)值模擬 沿空留巷 應(yīng)力雙峰 Flac3D

根據(jù)“小結(jié)構(gòu)服從大結(jié)構(gòu)”的采場(chǎng)支護(hù)原則，為了能夠更好地優(yōu)化沿空留巷設(shè)計(jì)方案,對(duì)上灣煤礦12上307工作面沿空留巷工藝下的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過(guò)參考大量相關(guān)文獻(xiàn)及相似模擬試驗(yàn)，觀察了沿空留巷應(yīng)力雙峰現(xiàn)象發(fā)生的原因，對(duì)影響沿空留巷效果的相關(guān)因素逐次進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，最終對(duì)支護(hù)體系進(jìn)行了綜合模擬，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)，證明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性以及支護(hù)設(shè)計(jì)的可靠性。

1 沿空留巷采場(chǎng)頂板活動(dòng)規(guī)律

如圖1所示，當(dāng)?shù)臀豢迓鋷r層和高位巖層形成離層后，會(huì)以第一組關(guān)鍵巖層形成微彎的梁式結(jié)構(gòu)，應(yīng)力沿著低位巖層的垮落角β進(jìn)行一次分流(圖1一次應(yīng)力分流區(qū)域)，產(chǎn)生低值應(yīng)力區(qū)和支撐應(yīng)力區(qū)。由于靠近采空區(qū)邊界處的巖體承受的采動(dòng)影響最為強(qiáng)烈，巖體最為破碎，傳遞承載能力弱，此區(qū)域?yàn)榈蛻?yīng)力狀態(tài)，而處于深部的兩側(cè)巖體具備高承壓能力，在載荷作用下，巖體內(nèi)原始裂隙閉合，強(qiáng)度升高，處于支撐壓力狀態(tài)。當(dāng)一次應(yīng)力分流后，應(yīng)力不斷地由高位巖層向采空區(qū)兩側(cè)的低位巖層傳遞。當(dāng)上覆巖層應(yīng)力傳遞至未采煤體一側(cè)頂板時(shí)，由于沿空留巷的存在，會(huì)再一次以留設(shè)巷道頂板為梁進(jìn)行二次應(yīng)力分流，形成以巷旁支護(hù)的墻體和未采煤體一幫的支承應(yīng)力(圖1中二次應(yīng)力分流區(qū)域)。按照應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置不同，將其劃分為A、B兩部分區(qū)域，A區(qū)域峰值出現(xiàn)在深部巖體中，對(duì)巷道的留設(shè)不會(huì)有太大的影響；B區(qū)由于靠近留設(shè)巷道的一幫，應(yīng)力峰值影響巷道穩(wěn)定。對(duì)于兩次應(yīng)力支撐峰值，稱之為“應(yīng)力雙峰”現(xiàn)象。雙峰應(yīng)力為巷道圍巖急劇變形的根本原因[1-3]。

圖1 楔形應(yīng)力傳載機(jī)制

2 沿空留巷支護(hù)系統(tǒng)研究

以上灣煤礦12上307工作面沿空留巷為試點(diǎn)，采用柔?；炷翂w作為巷旁支護(hù)，巷道頂板區(qū)域采用φ22 mm×8 000 mm錨索和φ18 mm×2 100 mm圓鋼錨桿，依次間隔交錯(cuò)支護(hù)。為了能夠合理確定滯后支護(hù)阻力、范圍及混凝土強(qiáng)度，擬通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行研討。

2.1 柔?；炷林ёo(hù)強(qiáng)度模擬

為了分析不同混凝土強(qiáng)度對(duì)留巷支護(hù)效果的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土材料配比的不同，制作了大量不同的試塊并進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，最終得到了4種不同配比下的混凝土在不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間情況下的強(qiáng)度[4-5](見表1)。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)對(duì)不同強(qiáng)度混凝土的支護(hù)效果建立數(shù)值模型逐次模擬，最終得到圖2的數(shù)據(jù)。

由圖2發(fā)現(xiàn)，在開挖距離相同的情況下，1#混凝土頂板下沉變形最為嚴(yán)重，約240 mm，且還有繼續(xù)變形的趨勢(shì)，不宜選用；4#混凝土變形最小，變形約173 mm，符合要求，但成本增加；2#和3#混凝土由于總體變形趨勢(shì)和數(shù)值變化不大，說(shuō)明這兩種強(qiáng)度的混凝土在支護(hù)效果上基本一樣?；谕瑯訔l件情況下，每提高一個(gè)混凝土等級(jí)則成本提高15%以上，因此，在保證安全的情況下選用2#混凝土方案。

表1 混凝土試塊強(qiáng)度

圖2 混凝土強(qiáng)度支護(hù)頂板位移

2.2 滯后支護(hù)距離的合理確定

根據(jù)上灣煤礦多年礦壓顯現(xiàn)觀察資料,本區(qū)域采動(dòng)影響距離約100 m。據(jù)此，將分為80,100,120,140,160和180 m 6種滯后支護(hù)距離進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證并提取兩個(gè)不同位置的測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明(圖3)。

圖3 滯后支護(hù)位移監(jiān)測(cè)

圖3表明：80～100 m的滯后支護(hù)距離完全不利于巷道的維護(hù)，在前100 m滯后支護(hù)距離中，隨著支護(hù)距離的增加，巷道頂板不斷下沉且變形速率居于高位，說(shuō)明前100 m距離中，采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)劇烈，僅靠滯后支護(hù)中的單體幾乎不能和巷道上覆壓力相對(duì)抗;當(dāng)滯后支護(hù)距離達(dá)到100 m以上時(shí)，巷道變形經(jīng)歷了快速減小和趨于穩(wěn)定兩個(gè)階段。為此，決定采取150 m滯后支護(hù)距離。

2.3 單體支護(hù)阻力確定

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定：柱徑100 mm單體液壓支柱的初撐力不得小于90 kN，對(duì)單體支柱為125,150,175,200,225,250 kN 6種支護(hù)阻力分別進(jìn)行模擬研究。最終模擬結(jié)果見圖4。

圖4 不同支護(hù)阻力巷道位移

由圖4可以發(fā)現(xiàn)：隨著支護(hù)阻力的增加，巷道中部頂板處的變形急速下降，且支護(hù)阻力增加到175 kN的時(shí)候，巷道變形不再增加，說(shuō)明當(dāng)液壓支柱的支護(hù)阻力提高到175 kN以上時(shí)，對(duì)抵抗圍巖變形沒(méi)有太大的實(shí)際意義。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際并考慮到留有一定的富余量，選擇支護(hù)阻力為200 kN，有益于巷道的維護(hù)。

2.4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化及變形預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)支護(hù)因素的逐次分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，決定采用滯后距離150 m、2#配比混凝土，單體液壓支柱初撐力200 kN。通過(guò)對(duì)這3個(gè)因素進(jìn)行整合，綜合驗(yàn)證支護(hù)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。最終頂板下沉變形見圖5。

圖5 不同測(cè)點(diǎn)巷道頂板中部下沉量

圖5顯示，隨著巷道滯后支護(hù)距離的加大，巷道頂板下沉量呈現(xiàn)出總體增大的趨勢(shì)。其中在前60m范圍內(nèi)，巷道變形量接近總體變形量的一半以上，當(dāng)滯后工作面距離達(dá)到120m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的頂板下沉量基本已經(jīng)趨向穩(wěn)定；從5個(gè)測(cè)點(diǎn)布置的順序而引起的下沉量來(lái)看，距離工作面越近，數(shù)值越大。支護(hù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)在正常工作的情況下，頂板中部下沉量平均約196mm。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為檢驗(yàn)數(shù)值模擬效果，與上灣煤礦12上307工作面沿空留巷實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，按照上述支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，并經(jīng)origin 8處理，最終獲得巷道中部頂板下沉數(shù)據(jù)(圖6)。

圖6 巷道中部頂板下沉量

通過(guò)對(duì)圖6各折線進(jìn)行平均計(jì)算，發(fā)現(xiàn)巷道頂板平均下沉量約210 mm，與數(shù)值模擬下沉量(195 mm)基本相符，說(shuō)明了數(shù)值模擬的相對(duì)準(zhǔn)確性，其實(shí)際測(cè)量頂板下沉折線也近似表現(xiàn)出，當(dāng)滯后工作面200 m時(shí)巷道頂板下沉基本趨于緩和。

4 結(jié) 論

(1)沿空留巷圍巖破壞嚴(yán)重，采場(chǎng)頂板應(yīng)力呈雙峰現(xiàn)象時(shí)，只有加大支護(hù)阻力，提高支護(hù)強(qiáng)度，迫使應(yīng)力雙峰向煤巖體深部轉(zhuǎn)移。

(2)上灣煤礦12上307工作面采用柔?；炷翂w支護(hù)，頂板基本為可控變形，巷道中部頂板下沉量約210 mm,與數(shù)值模擬196 mm基本一致。

(3)12上307工作面支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)保證混凝土15 d 養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度41.6 MPa、單體支護(hù)阻力不低于200 kN,滯后支護(hù)范圍應(yīng)不小于150 m。

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*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51464036，51564048)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：2015M0548)。

2016-09-21)

王創(chuàng)業(yè)(1976—)，副教授，碩士，014010 內(nèi)蒙古包頭市昆區(qū)阿爾丁大街7號(hào)。