楊曉敏

山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦 山西 呂梁 033000

1 前言

為了提升煤炭的產(chǎn)出量，礦山開始選用無(wú)煤柱開采技術(shù)。無(wú)煤柱開采技術(shù)一般為沿空掘巷、沿空留巷和沿空留墻。此前楊瑞杰[1]采用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同充填體下沿空留巷進(jìn)行了一定的分析，對(duì)比了不同充填體下圍巖的變形情況，并利用爆破卸壓對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂，有效的維護(hù)了巷道的穩(wěn)定性。涂強(qiáng)[2]為了解決深井圍巖變形大的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)矸石筑墻對(duì)巷道的應(yīng)力進(jìn)行支撐，并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)矸石墻的寬度和厚度進(jìn)行計(jì)算，有效的解決了變形大的問(wèn)題。本文通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)充填體充填效果進(jìn)行分析，并對(duì)頂板預(yù)裂的角度進(jìn)行研究，為解決巷道變形嚴(yán)重的問(wèn)題作出一定的貢獻(xiàn)。

2 巷旁充填體應(yīng)力分析

巷旁充填體受力后會(huì)發(fā)生一定的變形，當(dāng)工作面進(jìn)行推進(jìn)的過(guò)程中，巷道的頂板會(huì)形成大面積的懸頂，當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)直接頂?shù)目迓洳骄喑^(guò)其極限承載時(shí)，直接頂會(huì)發(fā)生初次來(lái)壓，此時(shí)上覆老頂受到外部載荷的作用發(fā)生一定的彎曲，當(dāng)彎曲到達(dá)一定的極限會(huì)產(chǎn)生“O-X”斷裂，隨著工作面推進(jìn)煤礦采空區(qū)被矸石逐步填充，工作面產(chǎn)生周期來(lái)壓。巖塊I為老頂巖層，巖塊II為上區(qū)段弧形三角板，巖塊III為上區(qū)段巖塊。所以可以看出巖塊II是上覆巖層穩(wěn)定性的關(guān)鍵要素。采空區(qū)上覆巖層示意圖如圖1所示。

圖1 采空區(qū)上覆巖層示意圖

為了分析充填后應(yīng)力特征行分析，利用FLAC-3D模擬軟件進(jìn)行建模分析，建立長(zhǎng)度為350m、寬度為320m和高度為57m的三維模型，對(duì)模型展開網(wǎng)格的劃分，在網(wǎng)格劃分時(shí)，為了保證模擬的精確性及模擬的工作量大小，適當(dāng)?shù)倪x擇網(wǎng)格劃分的方式，網(wǎng)格劃分完成后共有527744個(gè)網(wǎng)格和554313個(gè)節(jié)點(diǎn)。選取工作面的推進(jìn)長(zhǎng)度為220m，對(duì)模型進(jìn)行屬性的設(shè)定，巖石屬性設(shè)定表如表1所示。完成屬性設(shè)定后，對(duì)模型進(jìn)行約束設(shè)置，在模型的邊界進(jìn)行水平約束固定。經(jīng)過(guò)礦山的地質(zhì)資料可知上覆巖層的應(yīng)力為7.7MPa，所以對(duì)頂板施加固定載荷。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)參照表

巷道充填物的材料屬性選擇摩爾-庫(kù)倫模型，工作面每次推進(jìn)10m，一直到工作面推進(jìn)至220m的位置。為了分析不同工作面推進(jìn)距離下巷道垂直應(yīng)力分布情況，本文的推進(jìn)距離分別選擇30m、70m和190m進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 垂直方向應(yīng)力分布云圖

從圖2可以看出，隨著掘進(jìn)工作的不斷推進(jìn)，巷旁的充填體的垂直方向應(yīng)力分布的規(guī)律呈現(xiàn)出一定的相似性。巷旁的垂直應(yīng)力分布在工作面推進(jìn)過(guò)程中保持不變。觀察圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面推進(jìn)至30m時(shí)，此時(shí)垂直應(yīng)力最大為18.45MPa，垂直應(yīng)力最小值為6.28MPa，巷旁充填體所承受的垂直應(yīng)力小于工作面推進(jìn)至70m和工作面推進(jìn)至190m的最大垂直應(yīng)力，所以可知在工作面推進(jìn)至30m的范圍時(shí)，充填體對(duì)巷道頂板支撐處在一個(gè)平穩(wěn)的趨勢(shì)下，充填體在此時(shí)刻呈現(xiàn)出四面受壓。當(dāng)工作面推進(jìn)至70m的范圍時(shí)，此時(shí)的巷旁充填體受到的垂直應(yīng)力明顯突然增大，此時(shí)的最大垂直應(yīng)力來(lái)到了21.18MPa，較工作面推進(jìn)30m時(shí)的18.45MPa提升了2.73MPa，最大垂直應(yīng)力增大了14.8%。此時(shí)的最小垂直應(yīng)力也增大至8.47MPa，增大了34.87%。發(fā)生這一現(xiàn)象的原因?yàn)楣ぷ髅嬖趶?0m推進(jìn)至70m的過(guò)程中，綜放工作面頂板遭遇了頂板的初次來(lái)壓，所以此時(shí)的巷旁垂直應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的增長(zhǎng)。此時(shí)的充填體的承壓狀態(tài)來(lái)到了3邊支撐，此時(shí)的最大最小垂直應(yīng)力的數(shù)值較工作面推進(jìn)190m時(shí)也大。在工作面推進(jìn)至190m時(shí)此時(shí)的巷旁垂直應(yīng)力開始趨于平穩(wěn)，此時(shí)的最大垂直應(yīng)力為20.7MPa，最小垂直應(yīng)力為8.9MPa。在工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板只會(huì)發(fā)生周期性的斷裂并不會(huì)出現(xiàn)大面積的失穩(wěn)。

3 不同預(yù)制角下切頂卸壓分析

為了改善沿空留巷的圍巖環(huán)境，本文通過(guò)對(duì)頂板進(jìn)行切頂卸壓來(lái)減小圍巖的變形量，為了研究不同預(yù)制裂縫角度對(duì)切頂卸壓的影響，利用FLAC-3D模擬軟件對(duì)預(yù)制角度為0°、45°、60°、75°和90°進(jìn)行模擬研究，建模過(guò)程如上述建模過(guò)程類似，這里不做贅述。模型的示意圖如圖3所示。

圖3 不同預(yù)制角下模型示意圖

對(duì)模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理如圖4所示，從曲線可以看出不同預(yù)制角下巷旁的垂直應(yīng)力分布隨推進(jìn)距離的變化趨勢(shì)類似。當(dāng)工作面推進(jìn)至0m時(shí)，此時(shí)垂直應(yīng)力分布范圍均在6MPa～8MPa之間，當(dāng)工作面推進(jìn)從0m至45m時(shí)，此時(shí)的垂直應(yīng)力急速增大，預(yù)制角度在0°時(shí)，垂直應(yīng)力出現(xiàn)峰值為23.47MPa；預(yù)制角為45°時(shí)應(yīng)力峰值到了20.75MPa；預(yù)制角為60°時(shí)應(yīng)力峰值到了18.57MPa；預(yù)制角為75°時(shí)應(yīng)力峰值到了18.08MPa；預(yù)制角為90°時(shí)應(yīng)力峰值到了18.06MPa?？梢钥闯鲱A(yù)制角從0°至90°的過(guò)程中垂直應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出減小的的趨勢(shì)。當(dāng)預(yù)制角為0°時(shí)，此時(shí)的沿空留巷圍巖的垂直應(yīng)力峰值最大，此時(shí)的巷道維護(hù)也較難，切頂卸壓的效果不是很好。當(dāng)預(yù)制角為90°時(shí)，此時(shí)的巷旁充填體的峰值應(yīng)力最小，所以預(yù)制角為90°時(shí)的切頂效果最好，有效的保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖4 垂直應(yīng)力隨預(yù)裂角度變化曲線

4 結(jié)論

（1）對(duì)巷旁充填體受力進(jìn)行分析，給出了綜放工作面上覆巖層運(yùn)移規(guī)律，并對(duì)沿空留巷巷旁充填體變形機(jī)理進(jìn)行分析。

（2）隨著工作面的推進(jìn)，巷旁充填體垂直應(yīng)力的分布呈現(xiàn)出一定的相似性。當(dāng)工作面推進(jìn)至30m時(shí)，最大垂直應(yīng)力為18.45MPa，最小垂直應(yīng)力為6.28MPa。當(dāng)工作面推進(jìn)至70m時(shí)初次來(lái)壓，垂直應(yīng)力明顯增大。

（3）對(duì)不同預(yù)制角下的頂板進(jìn)行切頂卸壓發(fā)現(xiàn)，垂直應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線呈現(xiàn)出一定的相似性，且從預(yù)制角從0°提升至90°的過(guò)程中垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，所以預(yù)制角為90°時(shí)的切頂卸壓效果最好。