望田煤業(yè)舊采區(qū)域內(nèi)遺留空巷穩(wěn)定性的數(shù)值分析

郭曉彥

（山西焦煤集團(tuán) 西山煤電屯蘭礦，太原 030200）

1 望田煤業(yè)舊采區(qū)域概況

山西忻州神達(dá)望田煤業(yè)有限公司位于保德縣城東南6 km處，由保德縣望田煤業(yè)有限公司、保德縣德能煤業(yè)有限公司、保德縣德源煤炭有限責(zé)任公司及新增區(qū)整合而成。望田煤業(yè)的8號(hào)煤屬厚煤層。兼并重組前，由于受自身裝備水平以及開采技術(shù)條件的限制，一直使用反復(fù)進(jìn)行擴(kuò)幫的巷柱式開采法，井下遺留大量煤柱，使其8號(hào)煤層的完整性受到嚴(yán)重破壞，底煤中會(huì)形成“空巷-煤柱-空巷”結(jié)構(gòu)，空巷跨度一般在2～8 m；殘留空巷的上方頂煤搭接在煤柱上方呈空頂狀態(tài)。在舊采區(qū)域進(jìn)行殘采時(shí)，分析空巷的穩(wěn)定性很重要。

2 不同跨度單一空巷的穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模型的建立

采用RFPA軟件對(duì)舊采區(qū)空巷穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，對(duì)空巷跨度為2.4 m、6.6 m、8.7 m、10.8 m不同跨度的空巷穩(wěn)定性，分析不同尺寸的空巷圍巖變形和應(yīng)力分布。模型尺寸66 m×90 m，分為66 000個(gè)基本單元，每單元0.3 m×0.3 m，其中模擬底板厚度6 m，模擬時(shí)不考慮底板因素的影響，對(duì)模型底板進(jìn)行硬化處理。模擬煤厚6.6 m，上覆巖層高度53.4 m，未模擬的巖層以載荷形式作用于模型上方，模型側(cè)面進(jìn)行位移約束，底部固定。數(shù)值模型，見圖1。

圖1 數(shù)值模型簡圖

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析

1）頂板變形分析：圖2為不同跨度空巷的頂板變形破壞情況，隨著巷道跨度的增大，其頂板穩(wěn)定性發(fā)生變化。跨度10.8 m時(shí)，空巷中部頂煤冒落嚴(yán)重，巖層中出現(xiàn)微小裂隙，頂板破壞較嚴(yán)重。跨度8.7 m時(shí)，頂煤局部發(fā)生冒落，頂板破壞較小。跨度6.6 m時(shí)，上方頂煤出現(xiàn)微小裂隙，頂板完整性保持較好。跨度2.4 m時(shí)，頂板完整未發(fā)生破壞、變形，穩(wěn)定性較好。表明空巷跨度越大，越容易發(fā)生冒落、失穩(wěn)，并且多發(fā)生在頂板中部。

圖2 不同尺寸的空巷頂板變形情況

2）頂煤應(yīng)力分析：圖3為不同跨度空巷頂煤應(yīng)力曲線，空巷兩幫上方頂煤易出現(xiàn)應(yīng)力集中，且高于其他處頂煤應(yīng)力，且空巷上方頂煤應(yīng)力明顯偏小。當(dāng)跨度2.4 m時(shí)，頂煤中應(yīng)力峰值7.57 MPa，集中應(yīng)力系數(shù)K=1.5。跨度10.8 m時(shí)，頂煤中應(yīng)力峰值約9.98 MPa，集中系數(shù)K=2。表明頂煤集應(yīng)力隨著空巷跨度的變大而增大。

圖3 不同尺寸空巷頂煤應(yīng)力曲線

3 不同跨度空巷群的穩(wěn)定性分析

3.1 數(shù)值模型的建立

采用RFPA軟件對(duì)舊采區(qū)的空巷群穩(wěn)定性進(jìn)行模擬。現(xiàn)以兩條空巷相鄰為例，空巷跨度取6.6 m、8.1 m，巷間煤柱取6 m，考慮相鄰空巷的穩(wěn)定性，分析不同尺寸的空巷圍巖應(yīng)力及變形情況。模型尺寸為66 m×90 m，分為66 000個(gè)基本單元，每單元0.3 m×0.3 m。模擬時(shí)不考慮底板因素的影響，對(duì)模型底板進(jìn)行硬化處理。模擬煤厚6.6 m，上覆巖層高度53.4 m，未模擬的巖層以載荷形式作用于模型上方，模型側(cè)面進(jìn)行位移約束，底部固定。數(shù)值模型，見圖4。

圖4 相鄰空巷數(shù)值模型示意圖

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

1）圍巖變形情況分析：圖5為模擬望田煤業(yè)8號(hào)煤層舊采區(qū)的相鄰空巷頂板變形情況。隨著空巷跨度的增大，圍巖穩(wěn)定性發(fā)生變化。當(dāng)空巷跨度為6.6 m時(shí)，空巷頂板有裂隙和輕微冒落產(chǎn)生，巷間煤柱（亦即空巷兩幫）右側(cè)邊緣有輕微片幫現(xiàn)象；當(dāng)空巷跨度為8.7 m時(shí)，空巷頂板裂隙發(fā)育較為明顯，完整性受到較大影響，但總體仍保持較好完整性。其與單一空巷圍巖變形對(duì)比可知，相同跨度的空巷，空巷數(shù)目越多，圍巖裂隙發(fā)育及變形越明顯。

圖5 不同尺寸相鄰空巷圍巖情況

2）頂煤應(yīng)力分析：圖6為模擬望田煤業(yè)8號(hào)煤層舊采區(qū)的相鄰空巷上方頂煤應(yīng)力曲線。空巷兩幫上方頂煤中容易形成應(yīng)力集中。跨度6.6 m時(shí)，頂煤應(yīng)力峰值約10.3 MPa，集中系數(shù)K=2.1。跨度8.1 m時(shí)，頂煤應(yīng)力峰值大小約為11 MPa，集中系數(shù)K=2.2。應(yīng)力與空巷跨度成正比關(guān)系，空巷跨度越大，集中應(yīng)力越大，并且巷間煤柱上方頂煤應(yīng)力一般高于其他處的頂煤的應(yīng)力。

圖6 不同尺寸相鄰空巷頂板應(yīng)力曲線

4 舊采區(qū)域不同跨度遺留空巷對(duì)比分析

表1和表2分別為不同跨度單一空巷和不同跨度相鄰空巷對(duì)比匯總。

表1 舊采區(qū)不同跨度單一空巷分析

表2 舊采區(qū)不同跨度相鄰空巷分析

1）望田舊采區(qū)遺留空巷寬度一般在2～8 m，通過對(duì)舊采區(qū)空巷（群）圍巖穩(wěn)定性的模擬可知，井下大部分空巷處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著空巷跨度的增大，其頂板越容易產(chǎn)生裂隙，發(fā)生冒落及變形。

2）空巷兩幫上方頂煤中出現(xiàn)應(yīng)力集中，且均高于兩側(cè)實(shí)體煤區(qū)頂煤應(yīng)力。單一空巷跨度2.4 m、6.6 m、8.7 m時(shí)，頂煤最大集中應(yīng)力峰值7.57 MPa、8.27 MPa、9.16 MPa，集中應(yīng)力系數(shù) K 為 1.7、1.95、2.4；相鄰空巷跨度6.6m、8.7m時(shí)，頂煤最大集中應(yīng)力分別為10.3MPa、11 MPa。對(duì)比分析可知隨著空巷跨度的增大，頂煤集中應(yīng)力也越大；空巷跨度相同時(shí)，相鄰空巷數(shù)目越多，頂煤集中應(yīng)力越大。

5 結(jié)束語

1）望田舊采區(qū)域遺留的大部分空巷處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著空巷跨度的增大，其頂板越容易產(chǎn)生裂隙，發(fā)生冒落及變形。2）空巷兩幫上方頂煤出現(xiàn)應(yīng)力集中，高于兩側(cè)實(shí)體煤區(qū)頂煤應(yīng)力；并且隨著空巷跨度的增大，頂煤集中應(yīng)力也越大，空巷跨度相同時(shí)，相鄰空巷數(shù)目越多，頂煤集中應(yīng)力越大。

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