武少鵬

(潞安集團(tuán) 生產(chǎn)處，山西 長(zhǎng)治 046204)

隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的增大和開采深度的增加，礦井地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件日趨復(fù)雜，造成煤炭資源回收率降低、維護(hù)頂板和治理瓦斯的工程及成本成倍增加、礦井采掘銜接緊張等一系列問題。近年來，許多煤礦積極引進(jìn)沿空留巷技術(shù)，對(duì)提高煤炭資源回收率、緩解采掘銜接、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限有積極的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也為采掘工作面頂板維護(hù)和瓦斯治理提供了技術(shù)支撐[1-5]。本文以李村煤礦2302工作面為例，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)沿空留巷圍巖應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，為合理確定巷旁墻體寬度提供理論依據(jù)。

1 工程概況

李村煤礦是潞安集團(tuán)的一座現(xiàn)代化大型礦井，生產(chǎn)能力為300萬t/a，屬高瓦斯礦井。依據(jù)礦井采掘銜接計(jì)劃和沿空留巷的實(shí)施要求，2302工作面和2303工作面采用聯(lián)合布置，對(duì)2302工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行沿空留巷，保留下來的巷道作為2303工作面的進(jìn)風(fēng)巷。2302工作面采用“兩進(jìn)一回”的Y型通風(fēng)系統(tǒng)，其運(yùn)輸巷和輔助進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷采用2302工作面回風(fēng)巷和以“沿空留巷”方式保留下來的2302工作面輔助巷。2302和2303工作面布置方式見圖1。

圖1 2302和2303工作面布置

2 沿空留巷圍巖應(yīng)力分布的數(shù)值模擬

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)

2302工作面采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法管理頂板；工作面長(zhǎng)度為285 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為730 m。開采煤層為沁水煤田3號(hào)煤層，平均厚度為4.6 m；頂板巖石類別為粉砂巖(硬度5～7、厚度4.5 m)，炭質(zhì)泥巖(硬度1～3、厚度0.25 m)，砂質(zhì)泥巖(硬度1～3、厚度0.9 m)，細(xì)粒砂巖(硬度5～7、厚度4 m)；底板巖石類別為炭質(zhì)泥巖(硬度2～5、厚度1.4～1.9 m)、砂質(zhì)泥巖(厚度0.80 m)。

2.2 模型建立

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立計(jì)算模型，以2302工作面的地質(zhì)參數(shù)和幾何參數(shù)為依據(jù)，確定模型尺寸為400 m×800 m×150 m，如圖2所示。計(jì)算模型本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則，位移邊界約束，四周設(shè)置為鉸支，底部設(shè)置為固支，上部為自由邊界。并施加上覆巖層自重荷載11.25 MPa，水平施加漸變荷載，應(yīng)力梯度為0.025 MPa/m。

巷旁墻體寬度是沿空留巷的重要參數(shù)，本次模擬建立5個(gè)計(jì)算模型，對(duì)應(yīng)的巷旁支護(hù)墻體寬度為1.2 m、1.5 m、1.6 m、1.8 m和2.0 m，分別模擬不同巷旁墻體寬度條件下巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。

圖2 沿空留巷計(jì)算模型

2.3 模擬結(jié)果分析

1) 垂直應(yīng)力分布規(guī)律。不同巷旁墻體寬度條件下巷道垂直應(yīng)力分布云圖如圖3所示，巷道兩幫內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線如圖4所示。

由圖3可以看出：不同寬度的巷旁墻體，沿空留巷圍巖垂直應(yīng)力分布基本一致，即頂、底板圍巖應(yīng)力呈“半橢圓”分布，由圍巖淺部至深部逐漸增長(zhǎng)；實(shí)體煤幫內(nèi)的垂直應(yīng)力在圍巖淺部呈“近線性”關(guān)系增長(zhǎng)至峰值，而后在圍巖深部呈“負(fù)指數(shù)”關(guān)系減小；巷旁墻體內(nèi)的垂直應(yīng)力由淺部至深部先增大后減小。

由圖4可以看出，巷旁墻體寬度由1.2 m增加至2.0 m過程中，底板內(nèi)應(yīng)力分布基本無變化；頂板左上側(cè)和右上側(cè)應(yīng)力呈增加趨勢(shì)，且頂板與采空區(qū)連接處的應(yīng)力逐步降低；墻體寬度為1.2 m、1.5 m、1.6 m、1.8 m和2.0 m時(shí)，實(shí)體煤幫內(nèi)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力峰值為32.58 MPa、32.68 MPa、33.68 MPa、33.04 MPa和32.76 MPa，垂直應(yīng)力集中區(qū)距煤幫表面3.5～5.0 m；巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力峰值呈“拋物線”型下降趨勢(shì)，應(yīng)力分布得到明顯改善，應(yīng)力峰值位于巷旁墻體的中部或右側(cè)角。

圖4 不同巷旁支護(hù)墻體寬度時(shí)沿空留巷兩幫內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線

通過對(duì)不同墻體寬度沿空留巷兩幫垂直應(yīng)力峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，沿空留巷兩幫垂直應(yīng)力峰值變化曲線如圖5所示。

圖5 不同巷旁墻體寬度時(shí)沿空留巷兩幫垂直應(yīng)力峰值變化曲線

由圖5可知，實(shí)體煤幫內(nèi)應(yīng)力峰值較穩(wěn)定，且垂直應(yīng)力峰值距煤幫表面距離基本一致。巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力峰值呈“拋物線”形減??；巷旁墻體寬度為1.2 m時(shí)，墻體內(nèi)垂直應(yīng)力增長(zhǎng)最快，且應(yīng)力峰值也最大；隨著墻體寬度的增大，應(yīng)力峰值逐步減小并趨于穩(wěn)定。

2) 巷旁墻體內(nèi)的應(yīng)力演變規(guī)律。隨著工作面推進(jìn)，采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)處于動(dòng)態(tài)變化過程，導(dǎo)致巷旁墻體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)隨著在采場(chǎng)中空間位置的變化而不斷變化，通過模擬得到巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力演變規(guī)律，如圖6所示。

由圖6得出，巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力演變過程分為4個(gè)區(qū)：上升區(qū)、峰值區(qū)、過渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。上升區(qū)從工作面開始直至達(dá)到應(yīng)力峰值，上升區(qū)寬度約36 m；峰值區(qū)為巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力峰值區(qū)域，其寬度約100 m；過渡區(qū)的垂直應(yīng)力呈線性遞減，其寬度約46 m；采場(chǎng)巖層運(yùn)移趨于穩(wěn)定后，巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力逐步穩(wěn)定，該區(qū)域垂直應(yīng)力穩(wěn)定，滯后工作面182 m。

圖6 沿工作面推進(jìn)方向巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力分布云圖

3 結(jié) 語

1) 通過對(duì)沿空留巷巷旁垂直應(yīng)力統(tǒng)計(jì)分析得出：不同巷旁墻體寬度，沿空留巷圍巖垂直應(yīng)力分布基本一致。隨著巷旁墻體寬度的增大，底板內(nèi)應(yīng)力分布基本無變化；頂板左上側(cè)和右上側(cè)應(yīng)力呈增加趨勢(shì)，且留巷頂板與采空區(qū)連接處的應(yīng)力逐步降低；實(shí)體煤幫內(nèi)應(yīng)力峰值較穩(wěn)定；巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力峰值呈“拋物線”型下降趨勢(shì)?；谘乜樟粝飮鷰r垂直應(yīng)力分布狀態(tài)和巷旁墻體實(shí)施的經(jīng)濟(jì)合理性，本工作面巷旁墻體的寬度設(shè)置為1.6 m比較合理；同時(shí)為其他類似工作面沿空留巷確定巷旁墻體寬度提供了參考。

2) 通過對(duì)沿空留巷巷旁墻體內(nèi)的應(yīng)力演變過程分析得出：巷旁墻體內(nèi)垂直應(yīng)力演變過程分為上升區(qū)、峰值區(qū)、過渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，為工作面推進(jìn)過程中，沿空留巷不同區(qū)域的臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施提供了依據(jù)。