工作面長度對綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定性影響模擬研究

鄭現(xiàn)菊，張 慧

(1.鄭州財經(jīng)學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

工作面長度對綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定性影響模擬研究

鄭現(xiàn)菊1，張 慧2

(1.鄭州財經(jīng)學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

以傾斜煤層綜放工作面為研究對象，當(dāng)工作面長度不同時，對綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定性隨上下區(qū)段工作面回采的演化進行了模擬研究，以得到上下區(qū)段工作面回采時，工作面長度對留巷圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并對留巷受兩次采動影響的圍巖應(yīng)力和位移進行分析對比。結(jié)果表明：在工作面推進相同距離時，隨著工作面長度的增大，左幫的垂直應(yīng)力受影響較大，且左幫應(yīng)力比右?guī)蛻?yīng)力大，巷道底板和右?guī)臀灰屏孔兓⒉幻黠@；留巷變形量受二次回采的影響會進一步增大，因此，為保證留巷的成功，工作面一次回采時，應(yīng)對巷道圍巖加強控制。

工作面長度；圍巖穩(wěn)定性；沿空留巷；二次回采

Simulation Study of Surrounding Rock Stability Influence of Gob Side Entry Retaining with Fully Mechanized Top Coal Mining by Working Face Length

近年來，隨著科技的進步，綜放沿空留巷理論研究得到了快速發(fā)展[1-3]，并在大量工程實踐基礎(chǔ)上，研究了綜放沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[4-5]，考慮多種因素的前提下重點論述了綜放沿空留巷圍巖變形和應(yīng)力分布的基本特征[6-8]。對于合理使用綜放沿空留巷技術(shù)具有一定的指導(dǎo)意義，但對生產(chǎn)技術(shù)因素中工作面長度對綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定性研究較少。

本文利用三維有限差分FLAC3D模擬軟件，對綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定隨工作面長度不同時的變化規(guī)律進行模擬研究，探索上下區(qū)段工作面的回采對留巷圍巖應(yīng)力和位移變化規(guī)律的影響，對于進行相似地質(zhì)條件下的綜放沿空留巷的支護設(shè)計具有一定的參考意義。

1 建立模型

1.1 模型幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)

以某煤礦實際情況為背景，建立數(shù)值模擬模型。模型長224m，寬160m，高170m。工作面煤層傾角平均為25°，煤層平均厚度為7m，工作面長度為90m，設(shè)計留巷埋深為500m，沿空留巷為4m(寬)×3m(高)的矩形巷道，巷道頂?shù)装寮皟蓭筒捎门啪酁?m的20mm×2.2m高強預(yù)應(yīng)力讓壓錨桿全長錨固，頂板設(shè)置2根間排距為2m的20mm×6m讓壓錨索，錨固至較硬的直接頂巖層，其主動支護阻力設(shè)為40kPa。根據(jù)沿空留巷頂板巖層破斷的基本規(guī)律，建立沿空留巷力學(xué)模型，合理確定了巷旁支護體各項參數(shù)[2,6]，巷旁支護體強度為50 MPa，墻體寬3m，留巷設(shè)計端頭不放頂煤寬度為6m，為減小邊界效應(yīng)，在模型各邊界分別預(yù)留30m煤柱。沿空留巷為本次研究的主要對象，因此需對留巷周圍和巷道較遠(yuǎn)部位進行網(wǎng)格的疏密控制，圖1為劃分的模型網(wǎng)格分布。

圖1 網(wǎng)格分布

1.2 模型邊界條件及巖性物理力學(xué)性質(zhì)

模擬采用摩爾—庫倫模型，幾何模型6個邊界面中5個面固定，頂面施加應(yīng)力邊界條件，4個側(cè)面施加水平位移約束，下邊界為豎直向上位移約束條件，上覆巖層的自重力通過施加于頂部外荷載的形式實現(xiàn)。表1為模型中巖性的物理力學(xué)參數(shù)。

1.3 計算方案

針對某礦傾斜煤層綜放工作面的實際地質(zhì)條件，采用三維有限元差分?jǐn)?shù)值軟件對綜放沿空留巷巷道圍巖的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬研究。在分析現(xiàn)有研究資料的基礎(chǔ)上，本文重點分析工作面長度不同時，上下區(qū)段工作面兩次回采超前支承壓力對留巷圍巖的應(yīng)力與位移的影響變化規(guī)律。模擬方案共3種，分別為：工作面面長為70,90,110m。

表1 各巖性的物理力學(xué)參數(shù)

模擬的沿空留巷方案為上區(qū)段上下巷開挖、錨固、平衡計算以后，首先進行上區(qū)段工作面的回采，工作面每推進5m進行1次架后巷旁支護體設(shè)置，并進行平衡計算；上區(qū)段的運輸巷通過沿空留巷技術(shù)保留下來。其工作面回采完后，回采下區(qū)段工作面，此時留巷作為該工作面的軌道巷，下區(qū)段工作面回采步距仍為5m且回采1次平衡1次，因下區(qū)段工作面后方的留巷不再使用，下區(qū)段回采過程中僅觀測工作面前方超前支承壓力對留巷圍巖的變形規(guī)律，方案設(shè)計如圖2所示。為監(jiān)測留巷圍巖的位移與應(yīng)力的變化規(guī)律，分別在留巷兩幫及頂?shù)装宓闹行木€上設(shè)置位移監(jiān)測點，在巷道右?guī)?m處的巷旁支護體內(nèi)和巷道左幫4m處的實體煤內(nèi)設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測點。測點布設(shè)如圖3所示，本文選取的工作面切眼與監(jiān)測面之間距離50m。

圖2 沿空留巷方案

圖3 留巷周圍測點布設(shè)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 上區(qū)段工作面回采時的模擬分析

圖4～5分別描述了工作面長度不同時，在煤層開采過程中，巷道監(jiān)測點的位移和應(yīng)力變化規(guī)律。

圖4 巷道圍巖位移變化曲線

由圖4可以看出，在上區(qū)段工作面推進過程中，巷道變形量受工作面面長的影響程度逐漸增大，工作面面長越大，巷道頂板和兩幫的位移量越大，巷道底板受工作面面長的影響較小，其位移量基本不變。由圖5可知，巷道左幫垂直應(yīng)力較高，受工作面面長的影響較為明顯，隨工作面面長的增大而增大；巷道右?guī)痛怪睉?yīng)力相對較低，在工作面后方，垂直應(yīng)力迅速減小并趨于穩(wěn)定，基本不受工作面面長變化的影響。

圖5 巷道圍巖應(yīng)力變化曲線

2.2 下區(qū)段工作面回采時的模擬分析

圖6～7分別描述了工作面長度不同時，在煤層開采過程中，巷道監(jiān)測點的位移和應(yīng)力變化規(guī)律。

圖6 巷道圍巖位移變化曲線

圖7 巷道兩幫垂直應(yīng)力變化曲線

由圖6可以看出，當(dāng)工作面推進50m時，巷道位移變化增加。在工作面面長分別為70，90，110m時，下區(qū)段工作面前方沿空留巷頂板下沉量分別達(dá)到154，185，228mm，巷道左幫向巷內(nèi)產(chǎn)生位移偏移，偏移量依次是106，121， 143mm，右?guī)偷奈灰屏恳约暗装迨芄ぷ髅婷骈L變化的影響相對較小。由圖7可知，巷道左幫垂直應(yīng)力較高且隨工作面的推進而緩慢增加，在工作面推進相同步距下，工作面越長巷道左幫應(yīng)力越大。距工作面10m范圍內(nèi)的煤層發(fā)生破碎，導(dǎo)致垂直應(yīng)力迅速降低；巷道右?guī)痛怪睉?yīng)力在工作面前方20m處開始隨工作面面長的增大而逐漸增大。

3 結(jié) 論

(1) 通過對上、下區(qū)段工作面回采期間沿空留巷圍巖變形的模擬分析對比，得出結(jié)論：沿空留巷受兩次采動的影響，巷道圍巖變形量較大，特別是二次回采工作面超前支承壓力對巷道影響較嚴(yán)重，因此，為保證留巷的安全使用，工作面一次回采時，需對巷道圍巖加強控制，為二次回采使用提供保障。

(2)模擬結(jié)果表明，巷道圍巖變形量隨工作面面長的增大而呈線性增大趨勢，且頂板和煤幫受面長的影響較大，工作面面長影響著覆巖大結(jié)構(gòu)，合理控制工作面面長以及提高巷道支護與面長的適應(yīng)性，更有利于沿空留巷的成功。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

2016-10-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.024

鄭現(xiàn)菊(1983-)，女，河南新鄉(xiāng)人，講師，主要研究方向為地下工程施工與管理。

鄭現(xiàn)菊，張 慧.工作面長度對綜放沿空留巷圍巖穩(wěn)定性影響模擬研究[J].煤礦開采，2017，22(3)：82-84，74.

TD322

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1006-6225(2017)03-0082-03