綜采工作面過空巷圍巖應(yīng)力及控制研究

康凱

摘 要：針對(duì)綜采面過空巷礦壓顯現(xiàn)的問題，以馬蘭礦為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)綜采面過空巷圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)進(jìn)行分析，得出空巷煤柱的最合理寬度為20m，且對(duì)煤柱寬度20m時(shí)，不同充填體強(qiáng)度下圍巖應(yīng)力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)充填體強(qiáng)度選擇4MPa時(shí)，工作面可以實(shí)現(xiàn)快速且安全過空巷。為工作面過空巷提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：綜采工作面;空巷;圍巖應(yīng)力;數(shù)值模擬

1 前言

綜采工作面過空巷一直困擾著礦山開采，一方面在工作面過空巷的過程中，距離空巷越近，基本頂?shù)恼蹟嘣饺菀装l(fā)生，從而造成巷道頂板的下沉，導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)。另一方面在工作面和空巷進(jìn)行貫通時(shí)，巷道會(huì)出現(xiàn)冒頂事故，造成壓垮支架的事故。所以對(duì)工作面過空巷圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究是十分有必要的。此前，黃衡為了解決工作面過空巷礦壓顯現(xiàn)的問題，通過結(jié)合礦山地質(zhì)情況提出頂板支護(hù)技術(shù)，后期施工驗(yàn)證了支護(hù)技術(shù)的可行性，保證了礦壓的平穩(wěn)。于軍杰等利用數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面過空巷圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，研究表明采用密集支柱、超高水材料充填及錨網(wǎng)索支護(hù)可以有效的降低圍巖應(yīng)力，保證礦山的穩(wěn)定性。徐青云等針對(duì)過空巷時(shí)冒頂，易造成壓架的事故等問題，通過建立空巷力學(xué)模型面對(duì)空巷頂板穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行研究，并利用數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面過空巷所需的支護(hù)阻力進(jìn)行模擬，保證了礦山的正常生產(chǎn)。尹超宇等對(duì)工作面過空巷圍巖的失穩(wěn)進(jìn)行研究，通過彈性薄板理論對(duì)基本頂斷裂形式進(jìn)行分析，并利用數(shù)值模擬對(duì)工作面過空巷基本頂?shù)乃苄宰冃芜M(jìn)行分析，為治理圍巖變形提供依據(jù)。本文利用FLAC-3D對(duì)工作面過空巷圍巖的運(yùn)移規(guī)律及塑性區(qū)變化進(jìn)行分析，為工作面過空巷技術(shù)提供借鑒。

2 圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布研究

根據(jù)馬蘭礦的地質(zhì)條件可知，馬蘭礦煤層直接頂、基本頂及老頂?shù)染怯珊穸炔灰坏膸r層組成，模型長寬高的建立尺寸分別為120m、120m和62.8m。模型采用摩爾庫倫準(zhǔn)則，對(duì)模型巖石的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)可知，煤層的厚度為4.7m，基本頂厚度為19.82m、直接頂為3.85m。巷道圍巖的變形主要是由于應(yīng)力加載產(chǎn)生的，空巷的圍巖變形主要是煤柱變形及頂?shù)装寮皟蓭妥冃?，以此來達(dá)到煤柱的最合理寬度。首先為了對(duì)比不同個(gè)煤柱寬度下垂直應(yīng)力的分布規(guī)律，本文對(duì)煤柱寬度20m、10m及5m進(jìn)行分析。計(jì)算模型的垂直應(yīng)力分布圖如1所示。

從不同煤柱下空巷的垂直應(yīng)力分布圖可以看出，煤柱的尺寸從20m降低至5m的過程中，空巷的右?guī)蛻?yīng)力較為穩(wěn)定。由于工作面的超前開挖超前支撐壓力使得在工作面前端的煤柱處于應(yīng)力的增高狀態(tài)，當(dāng)空巷的煤柱的寬度大于20m時(shí)，此時(shí)巷道的垂直應(yīng)力分布較為穩(wěn)定，當(dāng)巷道煤柱寬度10m時(shí)，此時(shí)的巷幫出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中位置為巷道的左幫，但應(yīng)力集中的程度較低，當(dāng)煤柱寬度降低至5m時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力集中程度增加，應(yīng)力集中向著空巷開始轉(zhuǎn)移。所以當(dāng)煤柱寬度大于20m時(shí)，此時(shí)可以看做為超前支撐壓力影響較弱區(qū)域，當(dāng)煤柱寬度降低至10m時(shí)，此時(shí)可以看做為超前支撐壓力影響一般區(qū)域，當(dāng)煤柱寬度大于5m時(shí)，此時(shí)將其看做為超前支撐壓力影響較大區(qū)域。

同時(shí)對(duì)煤柱塑性區(qū)的分布情況進(jìn)行分析，煤柱塑性區(qū)可以有效的分析出煤柱處于彈塑性區(qū)域的范圍。當(dāng)煤柱處于塑性區(qū)時(shí)，此時(shí)可將煤柱視為煤柱處于壓垮狀態(tài)，煤柱僅存在一定的殘余強(qiáng)度，隨著煤柱彈性區(qū)尺寸進(jìn)一步減小，煤柱發(fā)生最終的失穩(wěn)變形，發(fā)生安全事故。煤柱寬度20m、10m及5m的塑性分布圖如2所示。

可以看出，當(dāng)煤柱寬度為20m時(shí)，此時(shí)的煤柱中間部位出現(xiàn)彈塑性區(qū)共存區(qū)，在空巷兩幫的圍巖塑性區(qū)無明顯的變化，空巷的上端巖層無明顯的塑性變化。當(dāng)煤柱的寬度減小至10m時(shí)，此時(shí)的煤柱的彈性區(qū)范圍明顯減小，煤柱幾乎完全由塑性區(qū)組成，煤柱上端部的巖層也在逐步向著塑性轉(zhuǎn)化，隨著煤柱寬度降低至5m，此時(shí)的煤柱完全喪失承載性，煤柱上端部巖層完全向著塑性區(qū)變化，此時(shí)的煤柱明顯低于臨界寬度，基本頂出現(xiàn)超前的斷裂。

根據(jù)對(duì)模擬過程中空巷頂板和煤柱的變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，當(dāng)煤柱寬度為20m時(shí)，空巷的頂板下沉量最小為61mm，當(dāng)煤柱的寬度降低至10m時(shí)，此時(shí)的頂板下沉量增大至173.7mm，當(dāng)煤柱的寬度降低至5m時(shí)，此時(shí)的頂板下沉量最大為774.5mm。當(dāng)煤柱寬度為20m時(shí)，空巷的煤柱兩幫移近量最小為36.3mm，當(dāng)煤柱的寬度降低至10m時(shí)，此時(shí)煤柱兩幫移近量增大至105.3mm，當(dāng)煤柱的寬度降低至5m時(shí)，此時(shí)煤柱兩幫移近量最大為556.5mm。

3 空巷圍巖控制研究

為了降低工作面過空巷造成的圍巖變形問題，選擇充填體來提升圍巖強(qiáng)度，僅選擇煤柱寬度為20m時(shí)進(jìn)行分析，充填體強(qiáng)度選擇為2MPa、4MPa和6MPa。充填后垂直應(yīng)力分布如圖3所示。

從圖3可以看出當(dāng)煤柱寬度為20m時(shí)，隨著充填體的強(qiáng)度不斷增大，充填體受到的垂直應(yīng)力逐步增加，煤柱受到的垂直應(yīng)力逐漸減小，且隨著充填體強(qiáng)度的增大，巷道上部巖層受到的載荷也在逐步降低，下降的趨勢小于煤柱垂直應(yīng)力下降的趨勢。同時(shí)對(duì)比充填體強(qiáng)度4MPa和6MPa時(shí)的垂直應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，充填體周圍巖體受到的垂直應(yīng)力差距較小，所以充填體強(qiáng)度的極限值為4MPa，大于4MPa的提升效果較差。

4 結(jié)論

①通過對(duì)工作面過空巷圍巖應(yīng)力及變形進(jìn)行數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，煤柱的寬度大于20m時(shí)的，此時(shí)圍巖變形及煤柱變形處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)煤柱寬度降低為10m時(shí)，此時(shí)巷道的圍巖變形及煤壁變形處于較大影響狀態(tài)，當(dāng)煤柱寬度降低至5m時(shí)，此時(shí)的圍巖變形及煤柱變形處于影響劇烈狀態(tài);②對(duì)空巷圍巖塑性區(qū)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，煤柱寬度越小，煤柱塑性區(qū)范圍越大，煤柱的承載力逐步降低，且煤柱的臨界安全寬度為10m;③根據(jù)對(duì)不同充填強(qiáng)度下空巷的圍巖應(yīng)力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)充填體強(qiáng)度小于4MPa時(shí)，圍巖應(yīng)力大于充填體受到的應(yīng)力，當(dāng)充填體強(qiáng)度大于圍巖強(qiáng)度時(shí)，此時(shí)的圍巖變形較小，且充填體強(qiáng)度4MPa較為合適。