薛　琦

(山西省呂梁市離石區(qū)軍事化礦山救護(hù)中隊,山西 離石 033000)

1　研究背景及模型的建立

關(guān)嶺山煤礦采用“采底留頂”落后的巷柱式采煤方法開采3號煤層,回采率不及25%,造成了煤炭資源的嚴(yán)重浪費[1-2]。因此,對3號煤進(jìn)行殘煤復(fù)采,可提高資源回收利用率,延長礦井服務(wù)年限,促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展[3-4]。

根據(jù)關(guān)嶺山綜合柱狀圖建立長×寬×高=80 m×30 m×48 m的模型,煤層厚度為4.5 m,煤層上方建立5層巖層，煤層下方建立4層巖層。通過做巖石力學(xué)實驗,測定各巖層參數(shù)。模型邊界條件為:底部固支,限制水平位移和垂直位移,模型四個側(cè)面限制水平位移,頂部施加上覆巖層重力,取重力加速度為10 m/s2。模型劃分135 820個單元,132 261個結(jié)點,圖1為數(shù)值模擬模型圖。

圖1　數(shù)值模擬模型圖Fig.1　Analysis model for goaf completeness

巷道沿煤層底板掘進(jìn),斷面為矩形,寬4.20 m,高2.65 m,巷道底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖。模型煤柱寬度30 m,巷柱式舊采空區(qū)寬6 m,假定采空區(qū)全部采空或者垮落,在圍巖破壞情況最為嚴(yán)重時,研究破碎圍巖對回采巷道穩(wěn)定性的影響,其中,回采巷道采用“柔?；炷?高水材料充填+錨桿+錨索+工字鋼梁”聯(lián)合支護(hù)。

2　數(shù)值模擬方案和模擬過程

回采巷道具體的支護(hù)參數(shù)為:老空區(qū)頂板6根錨桿,長度2 000 mm,錨桿間排距800 mm×1 000 mm,錨固方式為加長錨固;兩根錨索間距為1 600 mm,排距2 000 mm,錨固方式為加長錨固。采用跨長4.8 m的11#工字鋼支護(hù),鋼棚棚距為1 m。

模擬過程可分四步，第一步:建立模型,并提前分組,模型分為12組,將煤層分為5個分組,巷道為hd分組,煤柱為ff分組,采空區(qū)為kq分組,高水材料為gs分組,柔?；炷翞閞m分組。計算模型建好后計算初始應(yīng)力場至平衡。第二步:開挖采空區(qū),并用solve計算到平衡,模擬巷房開采后圍巖因應(yīng)力的重新分布。第三步:對空區(qū)進(jìn)行“柔?；炷?高水材料充填+錨桿+錨索+工字鋼梁”聯(lián)合支護(hù)。第四步:計算至平衡,讀取相應(yīng)圍巖變形量、應(yīng)力分布情況,塑性區(qū)破壞情況,分析圍巖的屈服破壞情況、巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量、垂直?yīng)力云圖、水平應(yīng)力云圖及兩幫應(yīng)力分布情況最終確定該支護(hù)方案的可行性。在整個模擬運算過程中始終監(jiān)測巷道周圍的變形破碎情況,記錄并存儲每一步運算結(jié)果,作為確定支護(hù)方案合理的主要依據(jù)。本報告僅給出最優(yōu)支護(hù)方案的數(shù)值模擬分析結(jié)果。

3　巷道圍巖變形破壞分析

圖2示出回采巷道在“柔模混凝土+高水材料充填+錨桿+錨索+工字鋼梁”聯(lián)合支護(hù)時圍巖屈服破壞特征。由圖2可以看出，聯(lián)合支護(hù)后巷道頂板在工字鋼棚和高水材料充填支護(hù)下,沒有出現(xiàn)明顯破壞,兩幫柔?；炷帘砻婧蛢?nèi)部完整性極好。由此可知,采用上述聯(lián)合支護(hù)后巖層完整性得到了較好的保證,巷道圍巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2　支護(hù)后圍巖塑性區(qū)云圖Fig.2　Nephogram of the plastic zone of the surrounding rock after supporting

4　巷道圍巖垂直應(yīng)力分析

圖3為巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖,圖4示出采用上述聯(lián)合支護(hù)時,回采巷道兩幫垂直應(yīng)力分布曲線。

圖3　支護(hù)后圍巖垂直應(yīng)力云圖Fig.3　Nephogram of the vertical stress of the surrounding rock after supporting

圖4　支護(hù)后圍巖垂直應(yīng)力曲線Fig.4　Curve of the vertical stress of the surrounding rock after supporting

從圖中可以看出,巷道頂板高水材料充填范圍內(nèi)承受較小拉應(yīng)力,約為0.074 MPa,老空區(qū)頂板上方巖層承受壓應(yīng)力,在0 m～7 m范圍內(nèi)應(yīng)力值大小范圍在1 MPa～4.5 MPa,兩幫垂直應(yīng)力基本呈對稱分布,柔模混凝土主要承受拉應(yīng)力,但應(yīng)力較小,巷幫內(nèi)部0.8 m的巖層承受壓應(yīng)力,壓應(yīng)力值隨著距巷幫距離增加而增加,在5 m～6 m處達(dá)到峰值,最大值為9.16 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.88,巷幫內(nèi)部0 m～5 m為應(yīng)力增高區(qū)。

5　回采巷道圍巖位移特征

分析回采巷道采用“柔?；炷?高水材料充填+錨桿+錨索+工字鋼梁”聯(lián)合支護(hù)時,巷道圍巖的垂直位移和水平特征。圖5示出在回采巷道采用上述聯(lián)合支護(hù)時,巷道圍巖水平位移和垂直位移分布云圖。從圖中可以看出,回采巷道采用上述聯(lián)合支護(hù)后,巷道頂板高水材料充填范圍內(nèi),變形較小,支護(hù)效果明顯,兩幫柔?；炷林ёo(hù)范圍內(nèi)未發(fā)生明顯位移,巷幫內(nèi)部最大移近量位于老空區(qū)巷道兩幫的中部,相對移近量為8cm,故采

用所選支護(hù)方案后，回采巷道的穩(wěn)定性較好,能夠滿足安全生產(chǎn)的需要。

5-a　水平位移

5-b　垂直位移圖5　支護(hù)后圍巖位移云圖Fig.5　Nephogram of the displacement of the surrounding rock after supporting