復(fù)采工作面過空巷群圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究

杜凱 牛海萍

【摘 要】 煤炭是不可再生的化石能源，提高煤炭資源的回收率是節(jié)約能源的重要體現(xiàn)，因此，殘留煤炭資源的復(fù)采工藝被提上了研究日程。而復(fù)采工作面過空巷或者空巷群是其中常見的問題。本文在已有復(fù)采工作面研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程情況，通過模擬圍巖塑形區(qū)分布對復(fù)采工作面過空巷群過程中圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，工作面空巷上覆圍巖破壞機(jī)理及穩(wěn)定性與空巷是否充填有關(guān);工作面過空巷群時(shí)，對空巷充填比不充填對復(fù)采工作面上覆圍巖穩(wěn)定性更好。

【關(guān)鍵詞】 復(fù)采工作面;圍巖穩(wěn)定性;過空巷群;數(shù)值模擬研究

【中圖分類號】 TD325 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）06-0016-03

近年來，隨著我國開始提倡節(jié)約能源，提高煤炭資源利用率，國內(nèi)專家開始研究開采后殘留的煤炭資源復(fù)采工藝。煤柱回收區(qū)空巷的存在會對煤柱回收及邊角煤回收工作面的回采造成很大影響。空巷的存在對殘留煤炭資源的復(fù)采會造成很大的影響，是需要首先解決的問題。出現(xiàn)空巷的主要原因有：原煤礦或小窯回采后留下的各種巷道、礦井為開采安全開挖的各種探巷、原礦井為回采、通風(fēng)安全的各種聯(lián)絡(luò)巷、瓦斯抽放巷等等。在回收工作面開采前，調(diào)查清楚空巷的斷面尺寸、方位、層位、冒落程度等賦存情況是煤柱回收工作面安全回采的前提。在復(fù)采工作面回采之前，摸清存在的空巷基本情況、目前破壞狀況、有無瓦斯或水積聚等，是殘煤復(fù)采工作面安全回采的前提。劉大鵬、唐海波、趙陽升針對房柱式開采殘煤復(fù)采頂?shù)装鍛?yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，郝端云、弓培林等對殘采工作面過空區(qū)進(jìn)行了相似模擬研究，路鑫、石磊等就殘煤復(fù)采工作面圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，目前大部分學(xué)者僅是對殘煤復(fù)采工藝進(jìn)行了研究，而實(shí)際中殘煤復(fù)采大部分要過空巷或者空巷群，對復(fù)采工作面過空巷或者空巷群時(shí)，空巷充填或者不充填時(shí)復(fù)采工作面上覆圍巖穩(wěn)定性的對比研究很少。

本文基于石窟煤業(yè)布置回收工作面時(shí)發(fā)現(xiàn)的空巷，通過對揭露的空巷現(xiàn)場調(diào)研及分析，發(fā)現(xiàn)空巷多數(shù)支護(hù)良好，空巷內(nèi)基本無積水、積氣情況。為此作者采用數(shù)值模擬技術(shù)，以石窟煤業(yè)為背景，建立地層模型及液壓支架模型，對工作面前方平行空巷采取充填及不充填的處理方式進(jìn)行分析，以期對石窟煤業(yè)3號煤層復(fù)采過空巷提供依據(jù)。

1空巷群基本頂力學(xué)模型

1.1空巷頂板破斷特征

空巷頂板的破壞主要是由于巷道直接頂巖層的厚度不同、強(qiáng)度不一致，這與錢鳴高院士提出的關(guān)鍵層和砌體梁理論相吻合。這些巖層活動(dòng)起主要的控制作用，即關(guān)鍵層。

1.2空巷基本頂力學(xué)模型

關(guān)鍵層的穩(wěn)定性主要由采空區(qū)的充填密實(shí)程度和老頂破壞的影響程度決定，復(fù)采工作面回采時(shí)，關(guān)鍵層巖塊之間的相互約束不會有較大變化。根據(jù)空巷基本頂破斷特征及簡化，建立空巷上方基本頂結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖1。

該理論認(rèn)為：關(guān)鍵層的破壞分為回轉(zhuǎn)失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)，其中回轉(zhuǎn)失穩(wěn)是因?yàn)殛P(guān)鍵層巖塊接觸面或接觸點(diǎn)之間受應(yīng)力集中影響進(jìn)入塑性狀態(tài)，致使巖塊發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn);滑落失穩(wěn)是因?yàn)榻佑|面之間的摩擦力小于巖塊之間的剪切力，造成巖塊滑落失穩(wěn)。

2數(shù)值模擬研究概況

2.1數(shù)值模型建立

石窟煤業(yè)30106殘煤復(fù)采工作面在推進(jìn)過程中會遇到許多各種原因遺留下的空巷，這些空巷的存在改變了煤層賦存結(jié)構(gòu)和采場圍巖狀態(tài)。為此本文采用數(shù)值模擬技術(shù)，對工作面前方平行空巷采取充填及不充填的處理方式進(jìn)行分析。

本次采用美國Itasca公司開發(fā)的FLAC3D軟件進(jìn)行模擬。

根據(jù)石窟煤業(yè)具體地質(zhì)條件和計(jì)算區(qū)域情況，選取長×寬×高=250 m×220 m×70 m 的計(jì)算范圍，各巖層按計(jì)算范圍附近鉆孔柱狀圖的巖性和厚度選取。巖層本構(gòu)關(guān)系選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算，支架本構(gòu)關(guān)系選用線彈性準(zhǔn)則計(jì)算。模型底部固定鉸支約束，四個(gè)側(cè)面按水平鏈桿約束，上部無約束。單元按照近小遠(yuǎn)大、分部離散的原則劃分，然后進(jìn)行組合。建立的地層模型如圖2所示。

2.2模型開挖

工作面開挖的起始位置為切眼，按照每次推進(jìn)2m開挖，然后順次進(jìn)行移架、放頂煤、充填采空區(qū)并保存結(jié)果。工作面長度 180m，采 2.2m，放 4.15m，采放比1∶1.89。工作面依次推進(jìn) 25m、75m、120m（推至空巷處），開挖過程如圖3所示。

3模擬結(jié)果及分析

由于石窟煤業(yè)30106復(fù)采工作面前方空巷距離工作面切眼較遠(yuǎn)，空巷對工作面頂板初次破斷影響較小，因此模擬工作面推進(jìn)120m。但當(dāng)工作面距離空巷較遠(yuǎn)時(shí)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與實(shí)體煤無異，所以只對工作面距離空巷30m以后的回采過程進(jìn)行分析，因此出圖截面位置均位于此處。

3.1不充填空巷回采模擬結(jié)果及分析

30106復(fù)采工作面回采過程中，圍巖塑性區(qū)分布分別如圖4到圖6所示。

圖 4 為復(fù)采工作面距空巷 30 m 時(shí)采場和空巷圍巖塑性區(qū)分布圖。此時(shí)支架上方頂煤和直接頂中的巖體均發(fā)生了剪切拉伸破壞，破壞深度達(dá)到直接頂。同時(shí)空巷兩側(cè) 2m 范圍內(nèi)的圍巖發(fā)生了塑性破壞且空巷上方的頂煤和直接頂也均發(fā)生了塑性破壞。

圖 5為復(fù)采工作面距空巷 12m 時(shí)采場和空巷圍巖塑性區(qū)分布圖，此時(shí)空巷附近圍巖塑性破壞及支架上方頂煤和直接頂中的巖體剪切拉伸破壞的范圍相比于 30m 時(shí)的范圍有所擴(kuò)大。同樣實(shí)體煤中采場后方的塑性區(qū)分布范圍也發(fā)生了一定的擴(kuò)展。

圖6為復(fù)采工作面距空巷4m時(shí)采場和空巷圍巖塑性區(qū)分布圖，此時(shí)空巷附近圍巖塑性破壞及支架上方頂煤和直接頂中的巖體剪切拉伸破壞的范圍相比于12m時(shí)的范圍繼續(xù)擴(kuò)大。

3.2充填空巷回采模擬結(jié)果及分析

30106工作面采動(dòng)分析：充填空巷回采時(shí)與上述開挖過程基本一致。在回采前對空巷進(jìn)行回填，充填材料采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行分析，充填體強(qiáng)度按圍巖強(qiáng)度70%選取，30106復(fù)采工作面回采過程中，圍巖塑性區(qū)分布分別如圖7到圖9所示。

圖7為復(fù)采工作面距空巷30 m時(shí)采場和空巷圍巖塑性區(qū)分布圖，此時(shí)支架上方頂煤和直接頂中的巖體均發(fā)生了剪切拉伸破壞，破壞深度達(dá)到直接頂。同時(shí)空巷兩側(cè) 2 m 范圍內(nèi)的圍巖發(fā)生了塑性破壞且空巷上方的頂煤和直接頂也均發(fā)生了塑性破壞。

圖 8為復(fù)采工作面距空巷 12m 時(shí)采場和空巷圍巖塑性區(qū)分布圖，此時(shí)空巷附近圍巖塑性破壞及支架上方頂煤和直接頂中的巖體剪切拉伸破壞的范圍均較 30m 時(shí)的范圍有所擴(kuò)大。同樣實(shí)體煤中采場后方的塑性區(qū)分布范圍也繼續(xù)擴(kuò)展。

圖9為復(fù)采工作面距空巷4m時(shí)采場和空巷圍巖塑性區(qū)分布圖，由圖可知，此時(shí)空巷附近圍巖塑性破壞及支架上方頂煤和直接頂中的巖體剪切拉伸破壞的范圍相比于12m 時(shí)的范圍繼續(xù)擴(kuò)大。

4結(jié)論

隨著工作面的回采進(jìn)程，圍巖應(yīng)力疊加，臨近空巷的煤柱破壞范圍隨著工作面的不斷推進(jìn)開始逐步擴(kuò)大，直至整個(gè)煤柱發(fā)生塑性破壞;空巷深部圍巖的塑性破壞范圍可以延深至實(shí)體煤體10m左右，頂?shù)装鍑鷰r的破壞范圍均有不同程度的擴(kuò)展。

隨著工作面的不斷推進(jìn)，此時(shí)空巷附近圍巖塑性破壞及支架上方頂煤和直接頂中的巖體剪切拉伸破壞的范圍均逐漸擴(kuò)大。同樣實(shí)體煤中采場后方的塑性區(qū)分布范圍也繼續(xù)擴(kuò)展。但支架上方塑性破壞基本維持在頂煤及直接頂處，并未發(fā)生超前破斷，由此可知充填空巷可以有效解決復(fù)采工作面過空巷超前破斷問題。

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