姚岐樺

（霍州煤電集團河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 運城 043300）

引言

隨著易開采煤層逐步完成開采，煤層開采的重點已經(jīng)逐步向著賦存條件較為復(fù)雜的煤層轉(zhuǎn)移，這使得煤層開采的效率得到了一定的制約。為了實現(xiàn)煤層的快速高效開采，我國學(xué)者提出固體充填開采技術(shù)，這項技術(shù)的核心是利用廢棄矸石對工作面進行充填，控制巷道的覆巖，實現(xiàn)對經(jīng)濟和環(huán)保的兼顧。對拉充填工作面開采技術(shù)是在原有固體充填基礎(chǔ)上的一種新的嘗試，對拉充填工作面的穩(wěn)定性是決定此項可否實施的重要因素，所以對對拉充填工作面的穩(wěn)定性進行研究是十分重要的。李永明,劉長友[1]利用FLAC3D 數(shù)值模擬軟對不同錯距和充實率下圍巖應(yīng)力分布及巷道變形進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，下工作面的超前段上隅角處支承應(yīng)力集中較為明顯，且隨著錯距的增大應(yīng)力集中現(xiàn)象不斷增強，當(dāng)對拉充填工作面錯距設(shè)定為5 m，充實率為90%時，此時固體充填開采效率最高。本文為了對對拉充填工作面穩(wěn)定性進行研究，利用數(shù)值模擬軟件對對拉充填工作面的礦壓顯現(xiàn)情況進行研究，為礦山安全生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 礦井概況及不同錯距下巷道穩(wěn)定性研究

杜家溝礦位于山西河津市清澗鎮(zhèn)西北3 km，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力60 萬t/a，2-105 工作面主要開采2#、10#煤層，開采深度標(biāo)高為+840 m～+600 m,井田呈不規(guī)則多邊形，南北長4.6 km，東西寬4.5 km，面積9.89 km2。隨著開采深度的增加，巷道不穩(wěn)定等各種問題逐步凸顯。

對拉填充工作面的礦壓顯現(xiàn)情況一般與對拉填充工作面的覆巖巖性、矸石壓實性質(zhì)、采高、錯距長度等有關(guān)，所以在對其進行研究時需要單一變量，本文選定最佳錯距長度5 m，對不同充實率下的對拉填充工作面圍巖變形及覆巖的運移進行研究。首先選定杜家溝礦為研究背景進行數(shù)值模擬建模，數(shù)值模擬軟件選定FLAC3D，根據(jù)實際地質(zhì)情況建立模型的長寬高分別為450 m、235 m、36 m。根據(jù)地質(zhì)情況對模型的力學(xué)屬性進行設(shè)定，完成模型設(shè)定后對模型進行約束設(shè)定，將模型的地面進行固定，限制其水平及垂直方向的位移，對模型四邊施加水平約束，限制其水平方向上的位移，同時設(shè)定工作面推進長度為300 m，設(shè)定模型的重力加速度為9.8 m/s2，在模型上端施加覆巖的自重10 MPa 的均布載荷，為了避免出現(xiàn)模型的邊界出現(xiàn)邊界效應(yīng)，所以在模型的長寬分別留出50 m 和30 m 的邊界，完成約束設(shè)定后對模性進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分對模擬十分重要，網(wǎng)格劃分太粗影響模擬精度，網(wǎng)格劃分過細(xì)加大計算時間且計算不易收斂，所以本文選定brick 建模單元，本構(gòu)關(guān)系選定摩爾庫倫模型，模型劃分完成后共有301320 個單元和321456 個節(jié)點[2]。錯距為5 m時對拉充填模型圖，如圖1 所示。

圖1 錯距為5m 時對拉充填模型圖

2-105 工作面利用三條巷道布置兩個同時工作的工作面，成為對拉工作面，模擬選定的錯距為0、5、20 和50 m，選定充實率為90%進行研究，對不充實率下的礦壓顯現(xiàn)及運移規(guī)律進行研究，不同錯距下巷道圍巖應(yīng)力分布情況，如第176 頁圖2 所示。

圖2 不同錯距下中間巷道圍巖應(yīng)力分布云圖

從圖2 可以看出，當(dāng)錯距為0 m 時，此時巷道頂板及兩幫位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力大致呈現(xiàn)出對稱的趨勢，此時的應(yīng)力峰值為15.3 MPa，當(dāng)上下工作面有錯距且錯距為5 m 時，此時在左幫和頂板位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力的峰值為16.1 MPa，此時的應(yīng)力峰值較無錯距下增大了0.8 MPa，當(dāng)上下工作面錯距為20 m 時，此時巷道應(yīng)力集中部位仍為左幫及頂板位置，此時的應(yīng)力峰值為17 MPa，較無錯距應(yīng)力峰值增大了1.7 MPa，當(dāng)上下巷道錯距為50 m 時，此時的應(yīng)力集中出現(xiàn)在頂板位置，應(yīng)力峰值為17.5 MPa，較無錯距時應(yīng)力峰值增大了2.2 MPa。可以看出，隨著上下巷道錯距的不斷增大，巷道的應(yīng)力峰值逐步增大。這是由于隨著上下上到錯距的增大，錯距段會含有下工作面的超前支撐應(yīng)力峰值，所以在錯距段內(nèi)壓力顯現(xiàn)較為劇烈，此時的錯距較大使得超前支撐段長度及支護強度都有一定的提升，十分不利用頂板的管理。所以滿足機頭布置和留巷空間的前提下應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低上下工作面錯距，所以最佳的上下工作面錯距為5 m[3]。

2 不同充實率下巷道穩(wěn)定性研究

對工作面錯距為5 m 時，對拉充填工作面充實率為50%、60%、70%和90%下的中間巷道圍巖變形情況及覆巖運移情況進行研究，模擬云圖，如圖3 所示。

圖3 不同充實率下巷道垂直應(yīng)力分布云圖

根據(jù)圖3 不同充實率下巷道垂直應(yīng)力分布云圖可以看出，在下部工作面的前端位置出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時的巷道的應(yīng)力集中極易造成巷道圍巖的嚴(yán)重變形，隨著充實率的不斷增大，巷道應(yīng)力集中現(xiàn)象逐步降低，巷道的穩(wěn)定性在逐步提升，巷道的維護成本逐步降低。當(dāng)充實率為50%時，此時的巷道應(yīng)力峰值為35.3 MPa，當(dāng)充實率增大至60%時，此時的巷道圍巖的應(yīng)力峰值為33.5 MPa，應(yīng)力峰值較充實率50%降低了1.8 MPa，當(dāng)充實率為70%時，此時巷道圍巖的應(yīng)力峰值為31.2 MPa，應(yīng)力峰值較充實率50%降低了4.1 MPa，當(dāng)充實率增大至90%時，此時的巷道的應(yīng)力峰值降低至26.6 MPa，應(yīng)力峰值較充實率50%降低了8.7 MPa，可以看出隨著充實率的逐步增大，巷道圍巖的應(yīng)力峰值逐步降低，同時使得巷道變形量減小，降低了巷道的維護成本[4]。

對不同充實率下的直接頂下沉量進行研究，直接頂在不同充實率下的下沉曲線，如圖4 所示。

圖4 不同充實率下直接頂下沉曲線

可以看出不同充實率下直接頂?shù)南鲁亮侩S著距離中間巷道的距離增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在距離為150 m 時取到最大值。隨著充實率的增大，直接頂?shù)南鲁亮恐鸩皆龃?，?dāng)充填率為50%時，此時直接頂?shù)南鲁亮孔畲笾禐? 610 mm，當(dāng)充填率增大至60%時，此時的直接頂?shù)南鲁亮孔畲笾禐? 200 mm，較充填率50%時減小了410 mm，當(dāng)充填率增大至90%時，此時的直接頂下沉量最小為300 mm，可以看出隨著充填率的增大，巷道直接頂下沉量逐步降低，巷道直接頂?shù)姆€(wěn)定性逐步提升，巷道圍巖整體性較好[5]。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對不同錯距下中間巷道圍巖應(yīng)力進行分析發(fā)現(xiàn)，隨著錯距的增大巷道應(yīng)力峰值逐步增大，巷道穩(wěn)定性降低，且最佳合理錯距5 m。

2）通過對不同充實率下的巷道圍巖應(yīng)力分布情況進行分析，可以看出隨著充實率的不斷增大，巷道圍巖承受的應(yīng)力最大值逐步降低。

3）通過對不同充實率下巷道直接頂?shù)淖冃瘟窟M行分析發(fā)現(xiàn)，隨著充填率的增大，巷道直接頂?shù)南鲁亮恐鸩浇档?，巷道穩(wěn)定性較好。