陳興紅，杜 凱，宋光遠(yuǎn)

(1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 三元古韓荊寶煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046200；2.潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046103；3.徐州中礦大貝克福爾科技股份有限公司，江蘇 徐州 221116)

膏體充填是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開(kāi)采的重要技術(shù)手段之一，待充填區(qū)頂板控制效果的好壞是決定膏體充填開(kāi)采控制地表沉陷成功與否的關(guān)鍵，待充填區(qū)頂板控制的效果取決于充填工作面由煤體—充填液壓支架—充填體形成的支撐體系中的相互作用關(guān)系，該體系中支架的支護(hù)強(qiáng)度、充填體強(qiáng)度對(duì)頂板控制有著重要影響。本文采用數(shù)值模擬的方法，結(jié)合某礦膏體充填開(kāi)采條件，對(duì)膏體充填工作面充填支架和頂板的相互作用關(guān)系進(jìn)行研究。

1 工作面概況

某礦井位于山東兗州礦區(qū)，充填工作面位于該礦三采區(qū)，開(kāi)采3上煤層，煤層厚度3 m，煤層埋深440 m，工作面長(zhǎng)160 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為2 000 m，工作面開(kāi)采高度為3 m，偽頂厚度為0.4 m，直接頂2 m，老頂8.4 m，直接底0.4 m，基本底7.6 m。充填工作面采用“三八”工作制，充填工藝為“采煤-隔離-充填-凝固”一循環(huán)，充填步距3.2 m。

2 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

2.1 模型建立及模擬方案

根據(jù)工作面開(kāi)采地質(zhì)條件，采用FLAC2D模擬軟件建立模型，模型尺寸為：長(zhǎng)×高=100 m×90 m，模型左、右、下采用固定限位約束，上部施加9 MPa均布載荷，代替剩余的上覆巖層重力[1-2]。

模擬采用類比開(kāi)采方式，觀測(cè)圍巖變形和覆巖應(yīng)力分布情況，具體為從模型左向右依次開(kāi)采75 m，到右側(cè)25 m處終止，模擬充填步距為3.2 m，最大控頂距為7.6 m，每次進(jìn)尺0.8 m，采用2班采煤，一班充填方式開(kāi)采。充填時(shí)分為采煤區(qū)和待充區(qū)，見(jiàn)圖1，在上一循環(huán)采煤充填完畢后，一班開(kāi)始采煤，完畢支架前移，及時(shí)支護(hù)頂板；之后二班采煤，完畢支架前移，及時(shí)支護(hù)頂板，形成充填區(qū)，進(jìn)行充填。每班采煤后，進(jìn)行六小時(shí)時(shí)步運(yùn)算，已使之接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，充填完畢后，運(yùn)行至平衡，進(jìn)行下一循環(huán)。每推進(jìn)一個(gè)步距采取相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。

圖1 充填開(kāi)采示意

2.2 充填支架支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)

充填支架在充填工作面起著重要作用，不僅要支護(hù)頂板，保證頂板不垮落，同時(shí)也要隔離采煤區(qū)和待充區(qū)，在研究支架與頂板相互作用關(guān)系時(shí)，為了便于分析，對(duì)模擬支架的參數(shù)進(jìn)行假設(shè)：①頂板和頂梁全面接觸，載荷是按照線性分布；②沿頂梁寬度方向的載荷是均布的，無(wú)偏心載荷。

充填支架對(duì)圍巖受力關(guān)系可以概括為圖2，充填液壓支架對(duì)頂板的支護(hù)有三個(gè)區(qū)域，頂梁端部區(qū)、中部區(qū)和尾部區(qū)，該礦的充填支架結(jié)構(gòu)參數(shù)為支架頂梁前端長(zhǎng)1.7 m，后端3.5 m，尾梁長(zhǎng)2.4 m，支架底座長(zhǎng)3.5 m，支架中心距1.5 m，支架最大高度為5.2 m，最小高度3.5 m。為此經(jīng)過(guò)受力平衡，力矩平衡進(jìn)行矯正，在模擬方案中采用支架支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬中支架載荷參數(shù)分布

圖2 模擬支架與頂板作用關(guān)系力學(xué)模型

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板下沉的影響分析

在模擬中發(fā)現(xiàn)，隨工作面的推進(jìn)，頂板在工作面處下沉明顯加快，不同的支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板的下沉變化值有一定的影響。煤壁處頂板隨支護(hù)強(qiáng)度不同，下沉值不同，下沉值隨支護(hù)強(qiáng)度的增加而減小，見(jiàn)圖3，頂板下沉值與支護(hù)強(qiáng)度有著較好的線性關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.994 49，擬合關(guān)系式為y=201.84-15.38x。

去除煤壁處的頂板下沉影響之后，在采煤區(qū)頂板的下沉量隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加也在減小，通過(guò)非線性擬合，成明顯的雙曲線的關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.923 55，擬合公式為y=50.375x/(x-0.006)，見(jiàn)圖4。這與跨落法開(kāi)采時(shí)，頂板下沉量與支架支護(hù)強(qiáng)度的關(guān)系相似，數(shù)值模擬結(jié)果表明：①充填開(kāi)采時(shí)，頂板下沉是不能根本消除的，主要是由于支撐壓力下，頂板下沉是以煤壁和充填體為基礎(chǔ)的上覆巖層整體下沉引起的；②充填開(kāi)采時(shí)，隨支撐強(qiáng)度增加可以減小頂板下沉，但從絕對(duì)值上看，幅度并不大。這主要是由于充填體支撐作用影響，充填支架僅需要維護(hù)局部頂板，控制其下沉。

圖3 煤壁處頂板下沉隨支護(hù)強(qiáng)度變化的影響關(guān)系

圖4 采煤區(qū)頂板下沉隨支護(hù)強(qiáng)度變化

3.2 不同支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板離層的影響分析

回采工作面頂板是否離層以及頂板的離層大小是判斷對(duì)頂板支護(hù)強(qiáng)度是否合適的一個(gè)重要的因素。工作面頂板離層的判斷，以及離層多少是安全的，目前對(duì)此方面研究還較少，沒(méi)有明確的規(guī)定[3-5]，本文根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對(duì)充填開(kāi)采工作面頂板離層臨界值進(jìn)行預(yù)設(shè)定，并在實(shí)際觀測(cè)過(guò)程中進(jìn)行修正。

巷道頂板離層值是一個(gè)巷道穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)[4-5]，本文參考對(duì)國(guó)內(nèi)外錨固范圍內(nèi)、錨固范圍外的臨界值幾個(gè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，以此確定充填工作面頂板離層的臨界值。在國(guó)外，澳大利亞以20 mm作為巷道頂板離層的臨界值；邢臺(tái)礦區(qū)目前暫定30 mm為其頂板離層臨界值[6]；淮南新集礦區(qū)層間離層臨界值一般取為20 mm[7]；大安山礦根據(jù)實(shí)際情況暫定錨固范圍內(nèi)臨界值為15 mm，錨固范圍外臨界值為30 mm[8]；龐莊煤礦通過(guò)井下實(shí)測(cè)，七煤巷道錨固范圍內(nèi)、外離層值之和達(dá)到30 mm左右時(shí)，其相應(yīng)的錨桿阻力顯著增大，頂板下沉量明顯增加，這時(shí)需要采取適當(dāng)措施[9]?？紤]到充填工作面圍巖應(yīng)力集中較小，充填面頂板離層臨界值預(yù)設(shè)定為10 mm。

工作面開(kāi)采后，從微觀上講頂板離層一般是無(wú)法避免的，除去巖層的泄壓膨脹，頂板各層中產(chǎn)生離層。根據(jù)直接頂?shù)暮穸?，模擬中頂板離層采取煤層上部0.5 m的頂板相對(duì)煤層上部5 m頂板的下沉量作為本次頂板的離層分析。從圖5中看出，在工作面開(kāi)采后，支護(hù)強(qiáng)度不同，頂板產(chǎn)生離層大致變化趨勢(shì)相同，在煤壁前1 m左右頂板基本不產(chǎn)生離層，工作面頂板離層基本處于8～14 mm之間。煤壁處頂板離層隨支護(hù)強(qiáng)度的增加有明顯線性減小趨勢(shì)，減小的幅度不大，離層值在8.6～7.4 mm之間；采煤區(qū)和充填區(qū)頂板離層隨支護(hù)強(qiáng)度的增加均有減小的趨勢(shì)，且采煤區(qū)頂板離層值大小隨支護(hù)強(qiáng)度的增加減小幅度比充填區(qū)的要大；而充填完畢后20 m的頂板離層隨支護(hù)強(qiáng)度的增加基本不變，離層值在8.7～9.1 mm之間。

圖5 不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板離層變化分布

3.3 不同支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板應(yīng)力的影響分析

模擬不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板應(yīng)力分布，支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板應(yīng)力的總體分布和變化影響不大，但在采煤區(qū)對(duì)頂板應(yīng)力有一定的影響，見(jiàn)圖6，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，采煤區(qū)頂板垂直應(yīng)力呈線性增加，支撐強(qiáng)度從0.1～1 MPa變化時(shí)，頂板最大垂直應(yīng)力從0.26～2.1 MPa變化，大致為支撐強(qiáng)度的2倍；超前支承壓力隨支護(hù)強(qiáng)度的增加，總體呈下降趨勢(shì)，但是下降幅度較小，在21.1 ～21.7 MPa之間，最大超前支承壓力在煤壁前9 m左右，按照原巖應(yīng)力為11 MPa，超前應(yīng)力系數(shù)大約2。如圖7。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 不同的支護(hù)強(qiáng)度對(duì)充填工作面頂板的下沉變化值有一定的影響。但充填面頂板的下沉是不能根本消除的，隨支撐強(qiáng)度的增加可以減小頂板的下沉，但從絕對(duì)值上看，幅度并不大。

2) 支護(hù)強(qiáng)度不同，在煤壁前1 m左右頂板基本不產(chǎn)生離層，煤壁處頂板離層隨支護(hù)強(qiáng)度的增加有明顯線性減小趨勢(shì)；采煤區(qū)和充填區(qū)頂板離層隨支護(hù)強(qiáng)度的增加均有減小的趨勢(shì)，且采煤區(qū)頂板離層受到影響較大；而充填完畢后20 m的頂板離層基本不變。

3) 支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板應(yīng)力的總體分布和變化影響不大，頂板最大垂直應(yīng)力大致為支撐強(qiáng)度的2倍；超前支承壓力隨支護(hù)強(qiáng)度的增加，總體呈下降趨勢(shì)，但是下降幅度較小，最大超前支承壓力在煤壁前9 m左右，超前應(yīng)力系數(shù)約為2。