馬蘭礦切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用研究

楊建立

摘 要：為了解決沿空留巷開采技術(shù)所導(dǎo)致的巷道圍巖變形問題，本文以馬蘭礦62711工作面為研究背景，通過理論計(jì)算給出了頂板的彎矩及拉應(yīng)力計(jì)算公式，并利用數(shù)值模擬軟件對不同切頂高度下留巷的巷道圍巖垂直應(yīng)力及支撐應(yīng)力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著距工作面距離的增大，垂直應(yīng)力出現(xiàn)的范圍距離留巷的距離逐步增大，支撐應(yīng)力的峰值向著兩幫的上端部轉(zhuǎn)移。同時(shí)確定合理的切頂高度為6m，為留巷變形嚴(yán)重的治理提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：沿空留巷;數(shù)值模擬;切頂高度;支撐應(yīng)力

1 前言

隨著，礦井采掘深度的不斷延伸，開采逐步向著深部進(jìn)發(fā)，但采掘到深部時(shí)巷道的穩(wěn)定性受到高應(yīng)力的作用，常常會發(fā)生變形等失穩(wěn)現(xiàn)象，所以在采掘深度較大時(shí)常常利用煤柱護(hù)巷，但考慮到資源的浪費(fèi)，所以學(xué)者提出無煤柱切頂卸壓開采技術(shù)，此技術(shù)是對沿空留巷技術(shù)的創(chuàng)新，不僅提升了巷道的穩(wěn)定性，同時(shí)有效的回收了資源。此前劉文偉[1]利用數(shù)值模擬軟件對不同切頂高度及不同切頂角度下圍巖的垂直應(yīng)力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)卸壓后沿空留巷的穩(wěn)定性得到了較好的改善。本文以馬蘭礦62711工作面為研究背景，通過FLAC-3D數(shù)值模擬軟件對馬蘭礦切頂卸壓留巷技術(shù)進(jìn)行研究，對不同切頂參數(shù)下巷道的圍巖應(yīng)力分布情況作出研究，為切頂卸壓留巷開采技術(shù)提供一定的參考。

2 理論分析

沿空留巷切頂卸壓開采技術(shù)是在原有的沿空留巷技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級，不僅對巷道圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)克服了巷道變形大的問題。此技術(shù)需要在回采工作面進(jìn)行預(yù)裂爆破，將采空區(qū)的頂板進(jìn)行定向垮落，由于巖石本身具有的碎脹性對采空區(qū)進(jìn)行填充，以此來達(dá)到支撐圍巖的作用，這樣不僅可以控制覆巖的變形也可以控制圍巖的變形，達(dá)到安全開采的目的。在采空區(qū)由于直接頂巖性較為堅(jiān)硬，多為砂巖頂板，在初次垮落后堅(jiān)硬頂板形成懸頂，堅(jiān)硬懸頂不易發(fā)生垮落，造成巷道圍巖變形大，同時(shí)懸頂一旦發(fā)生垮落，垮落的懸頂會造成沖擊災(zāi)害。沿空留巷力學(xué)模型示意圖如圖1所示。

如圖1所示支撐應(yīng)力P（X）可以簡化為三角分布的情況，其中Pi為第i根支柱的支護(hù)阻力;q為覆巖對堅(jiān)硬頂板的均勻載荷;T為懸頂?shù)暮穸?LR為沿空留巷寬度;Lo為斷裂長度;L為懸頂?shù)拈L度。

M_p+J_ε=M

Mp為沿空留巷巷內(nèi)支柱阻力力矩;M為頂板的載荷力矩;J為頂板繞O點(diǎn)的轉(zhuǎn)動慣量;ε為頂板繞O點(diǎn)的轉(zhuǎn)動加速度。

3 數(shù)值模擬研究

根據(jù)馬蘭礦62711工作面實(shí)際情況對切頂工作面進(jìn)行模型建立，模型的長寬高分別為284m、5m和114m，將模型的各邊界進(jìn)行固定約束設(shè)定，在模型的上端部進(jìn)行上覆巖層自重設(shè)置，巖層的自重經(jīng)過計(jì)算可以得出為10MPa，在模型的X和Y方向上施加水平應(yīng)力分別為12MPa和8MPa，完成模型載荷設(shè)定后，對模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對不同切頂高度下巷道圍巖變形情況進(jìn)行分析，切頂高度分別選擇為4m、6m和8m。通過對不同切頂高度下垂直應(yīng)力變化分析可知，當(dāng)切頂4m留巷時(shí)圍巖的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在圍巖的左側(cè)位置，最大應(yīng)力值36.3MPa，應(yīng)力的集中系數(shù)為3.3，在巷道巷幫應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在距離巷幫3.8m的位置，這對于巷道的支護(hù)及圍巖的控制相對較差，巷道的維護(hù)成本增大，造成留巷的失敗。當(dāng)切頂高度增大至6m時(shí)，此時(shí)應(yīng)力集中出現(xiàn)在距離左側(cè)兩幫較遠(yuǎn)的位置，此時(shí)的應(yīng)力最大值為35.9MPa，應(yīng)力的集中系數(shù)為3，同時(shí)應(yīng)力集中范圍在距離左側(cè)兩幫14.5m的位置，此時(shí)應(yīng)力集中范圍距離留巷較遠(yuǎn)，對留巷的影響較小，對于留巷的維護(hù)較為有利。當(dāng)切頂高度為8m時(shí)，此時(shí)應(yīng)力集中范圍出現(xiàn)在左側(cè)15.3m的位置區(qū)域，應(yīng)力的最大值為35.3MPa，應(yīng)力的集中系數(shù)為3，此時(shí)與切頂高度6m時(shí)的切頂效果較為類似，對留巷的維護(hù)較為便利。對比三種切頂高度下的應(yīng)力峰值可以看出，切頂高度對切頂后垂直應(yīng)力的峰值影響較小，但隨著切頂高度的增大，巷幫的應(yīng)力集中范圍出現(xiàn)的區(qū)域距離留巷長度逐步增大，留巷的維護(hù)難度逐步降低。在巷道兩幫的中心位置、兩幫上端及4m及9m的位置分別布置4條檢測線，用于檢測圍巖側(cè)向支撐壓力的變化情況。支撐壓力分布圖如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，當(dāng)切頂高度4m時(shí)，此時(shí)四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的支撐應(yīng)力隨距離兩幫長度變化趨勢大致類似，隨著距兩幫距離的減小，支撐應(yīng)力出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)距兩幫5m的位置時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力的最大值，在距離兩幫15m范圍內(nèi)支撐應(yīng)力快速增大，此時(shí)對兩幫巖石的整體性有較大的影響，不利于巷道的支護(hù)。當(dāng)切頂高度增大至6m時(shí)，此時(shí)三條監(jiān)測線的趨勢也類似，在距離兩幫10m的范圍內(nèi)出現(xiàn)支撐應(yīng)力的快速增大，在距離兩幫4m的位置出支撐應(yīng)力最大值，應(yīng)力峰值從兩幫的深部向上端部轉(zhuǎn)移，對巷道的穩(wěn)定性較為有利。當(dāng)切頂高度為8m時(shí)，此時(shí)支撐應(yīng)力變化趨勢大致相同，在兩幫上側(cè)4m的位置出現(xiàn)應(yīng)力最大值，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離煤壁10m的范圍內(nèi)，切頂效果與切頂高度6m時(shí)幾乎類似，有利于淺部巖層的穩(wěn)定性維護(hù)。對比可以看出，當(dāng)切頂高度為4m時(shí)在兩幫上側(cè)出現(xiàn)支撐應(yīng)力的最大值，而切頂高度6m和8m的支撐應(yīng)力最大值出現(xiàn)在兩幫上側(cè)4m的位置，可見隨著切頂高度的增大，支撐應(yīng)力的峰值向著兩幫的上端部轉(zhuǎn)移。

結(jié)合分析可知，切頂高度6m和8m留巷的支護(hù)效果較為類似，而切頂高度為6m時(shí)更為經(jīng)濟(jì)合理，且切頂6m較切頂4m的切頂效果較為理想，對于留巷的支護(hù)及穩(wěn)定性都有著較好的提升，所以合理的切頂高度選擇為6m。

4 結(jié)論

①分析了沿空留巷切頂卸壓開采技術(shù)的原理及堅(jiān)硬頂板的力學(xué)模型給出了堅(jiān)硬頂板的彎矩及拉應(yīng)力表達(dá)公式。根據(jù)對不同切頂高度下圍巖的垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著切頂高度的增大，巷幫的應(yīng)力集中范圍出現(xiàn)的區(qū)域距留巷距離逐步增大，留巷的維護(hù)難度逐步降低;②根據(jù)對不同切頂高度下圍巖支撐應(yīng)力分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著切頂高度的增大，支撐應(yīng)力的峰值向著兩幫的上端部轉(zhuǎn)移。同時(shí)選定最合理切頂高度為6m。