復合頂板條件下沿空留巷力學參數研究

顏秉超，韓 春，張貴銀，徐寧輝，孫 路

（1. 山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250101；2. 山東科技大學，山東 青島 266590）

復合頂板條件下沿空留巷力學參數研究

顏秉超1，韓 春2，張貴銀2，徐寧輝2，孫 路2

（1. 山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250101；2. 山東科技大學，山東 青島 266590）

以軍城煤礦31203復合頂板薄煤層綜采工作面為工程背景，在復合頂板綜采工作面采用無煤柱護巷技術基礎上，建立了沿空留巷圍巖力學模型，對巷旁支護阻力、切頂力學參數、頂板下沉量等進行理論計算，并采用FLAC3D數值模擬軟件研究了復雜頂板條件下薄煤層大斷面沿空留巷力學參數，研究成果可為軍城煤礦復合頂板條件下薄煤層大斷面沿空留巷提供理論依據。

復合頂板；薄煤層；大斷面；沿空留巷；力學模型

1 引言

沿空留巷就是工作面采煤后，沿采空區邊緣維護原回采巷道，這種方法與留煤柱護巷相比，不僅可以減少區段煤柱損失，還可以大量減少巷道掘進工程量。沿空留巷的成功是煤礦開采技術領域的一項重大變革，無論是在經濟效益上、還是在礦井高效生產方面，都有絕對的優勢。［1］山東東山軍城能源開發有限公司軍城煤礦31203工作面為復合頂板薄煤層綜采工作面，其平均煤厚為1.2m。在該復雜地質條件下如何降低煤層開采中的萬噸掘進率，協調好采掘接續及安全高效生產成為當下軍城煤礦的重要問題。

31203綜采面主采12下煤，為較穩定煤層，均厚1.2m，傾角0°～16°，無結核，局部含一層夾矸，夾矸巖性為砂質泥巖，厚度為0.05m。煤巖層總體形態為一向西北傾伏的簡單的單斜構造，傾角0°～16°。工作面地質構造較為復雜，工作面以東有DF8斷層，其中正斷層6條，逆斷層2條，落差大于1.5m的有3條，其中4#斷層落差為6m。

2 沿空留巷圍巖力學分析

2.1 力學模型的建立

以往建立的沿空留巷圍巖控制模型，在研究“支護——圍巖”相互作用關系時，一般只考慮巷旁支護與頂板巖層，忽視了巷幫煤體支承對巷道穩定的重要性，并且在大結構的形成及其穩定性的影響方面考慮不夠。根據基礎理論研究和現場實測，結合國內外各礦井采用的沿空留巷，建立沿空留巷巷旁充填圍巖結構力學模型［2］，如圖1所示。

圖1 沿空留巷力學結構示意圖

2.2 巷旁支護阻力計算

由上述沿空留巷力學模型可知，要以頂板巖梁的斷裂下沉為依據來計算巷旁支護阻力。如圖2所示，考慮巷旁充填體作用的頂板載荷懸臂梁模型（其中 —工作面長度， —周期來壓步距）。在圖2(a)中取寬度為一單位的樣條塊段，通過理論來計算沿空留巷巷旁支護阻力，所取的樣條如圖2(b)所示［3］，力學模型求解如圖2。

圖2 沿空巷旁支護阻力計算模型

根據彈塑性力學中的力矩平衡法對圖2中各段進行求解，設頂板均布載荷為q，從巷道上方直接頂巖層開始計算，考慮巖層的自重載荷和擾動系數k，其巷旁支護阻力求解F1公式為［4］：

其中：F1為巷旁支護阻力，Mp1為巖層極限彎矩，FN1為巖層破斷產生向下的剪力，MA1為巖層抗彎彎矩［5］。

通常公式可簡化為：

2.3 切頂力計算

將巷道沿空一側的頂板看作是一懸臂梁結構，并且把頂板的作用力簡化成為均布載荷的作用，如圖3所示。為了能夠在巷道沿空側有效切頂，切頂力PC必須滿足如下力學條件：

式中，P1為直接頂與基本頂處于連續接觸，但基本頂對直接頂作用力qE=0。

圖3 切頂力學模型

頂板的極限抗拉強度為：

其中，q為等效頂板載荷集度，m為有效抗彎厚度值， 為實際抗拉強度，qE為基本頂對直接頂施加荷載［7］。

代入數據得沿空切頂線所需單位寬度的支護切頂力為：

2.4 最大頂板下沉量計算

對頂板下沉量按老頂來壓完成時計算，留巷頂板側向結構如圖4所示。

圖4 沿空留巷力學模型圖

基本頂來壓完成時，導致沿空側LK處的最大頂板下沉量△h為［8］：

根據現場實際情況及模擬結果分析，基本頂斷裂線超前煤壁約2m左右，即x0=2m。將巷道寬度La=3.4m、巷道高度h=3.2m、KA=1.3、mZ=2.01m、LEZ=35.0m代入式（5）得：

3 模型的建立

3.1 模型尺寸與邊界條件

把煤層傾向設為正x方向；煤層走向設為正y方向；以鉛直向上為正z方向。按照本坐標系規定，計算模型沿x軸方向的長度為180m，工作面長度110m；y方向的長度約為150m，沿z軸方向的高度為50m。

邊界條件：頂面為應力和位移自由邊界，向下施加垂直應力；底面為x、y、z全約束，四個側面則為法向約束，x-z平面模型示意圖如圖5所示。

圖5 計算模型示意圖（x-z平面）

3.2 模型建立與網格劃分

劃分網格時，應充分考慮計算結果的準確性，根據研究需要，將模型中沿空留巷圍巖部分網格劃分尺寸小一點；剩余部分可適當加大尺寸，這樣可減少計算量，加快程序運行。劃分的網格，其形狀應規則。模型中的結構單元類型選取為8節點六面體單元，單元總數為58000個，節點總數為59586個。建立的三維計算模型如圖6所示。

圖6 數值計算模型

3.3 數值模擬參數選取

將該礦以往所做的煤巖體力學性質實驗所得具體的力學參數列入表1。

表1 煤巖體力學參數表

3.4 計算過程與模擬方案

計算模型采用理想彈塑性本構模型，材料服從摩爾—庫倫準則，模擬過程為：模型在自重荷載條件下達到原巖應力平衡→巷道開挖和支護→工作面推進巷旁充填→設置測點，檢測應力、位移等參數→工作面推進150m，分30次連續推進，每次推進5m。

3.5 模型結果分析

工作面未開挖時、開挖20m時、開挖60m時圍巖塑性區如圖7。

s shheeaarr--np t ension-n shear-p tension-p shear-p tension-p提供理論基礎。t teennssiioonn--nn s tehnesaior-np- ptension-p tension-p

圖7 工作面未開挖、開挖20m及開挖60m時圍巖塑性區

由圖7可以看出沿空留巷期間巷道圍巖變形具有如下特點：①圍巖未受擾動時兩幫的圍巖已經產生部分塑性變形；向前推進10m后，巷旁矸石充填部分圍巖變形較為嚴重，工作面推過10～40m之間，圍巖應力狀態變化較大，兩幫開始出現明顯的變形，且變形速度加快，工作面推過40m后，巷道進入相對穩定的階段，兩幫變形速度降低；工作面推到一定距離以后，煤體仍有一定素的的微小變形，但整體影響不大。

4 結論

（1）通過彈塑性力學基礎理論研究，建立了沿空留巷力學模型，分析了巷旁支護力、切頂力、頂板下沉量等力學參數，研究了沿空留巷巷道圍巖變形與破壞規律，為軍城礦薄煤層大斷面的留巷工作

（2）從留巷頂板受力從采動覆巖側向支承壓力分布及工作面頂板運動規律入手，以“巖梁運動為中心”的礦壓內外應力場理論分析了沿空留巷圍巖應力分布及頂板運動規律并對頂板下沉量做了預測。

（3）通過數值模擬分析，應用有限元程序（FLAC）來模擬巷旁充填矸石帶和不同巷旁充填矸石帶寬度對沿空留巷頂板壓力影響及變化情況，為沿空留巷參數的確定提供了理論依據。

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Research on the Mechanical Parameters of Gob-side Entry Retaining under the Condition of Composite Roof

YAN Bing-chao1, HAN Chun2，ZHANG Gui-yin2, XU Ning-hui2, SUN Lu2
（1.Shandong Province Metallurgical Engineering Co., Ltd, Ji'nan, Shandong 250101, China; 2. Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China）

This article established the mechanical model of surrounding rock about gob-side entry retaining and calculated of support resistance, cutting off resistance and roof convergence, with the 31203 full-mechanized working face under composite roof with thin coal seam in the Military City Coal Mine as the engineering background, based on adopting the technology of roadway refused protection coal pillar. Also the mechanical parameters is studied through the numerical simulation software FLAC3D, and the research results could provide theoretical basis for gob-side entry retaining under the condition of composite roof with thin seam and large section in the Military City Coal Mine.

composite roof ; thin seam; large section; gob-side entry retaining; mechanical model

TD353

A

1009-3842（2015）01-0056-04

2011-02-16

顏秉超（1983-），男，山東濟南人，本科，主要從事采礦方面的研究。E-mail: yanbch1007@163.com