礦井底板采動應(yīng)力演化規(guī)律與破壞特征研究

劉永生

（山西呂梁西山德威礦業(yè)管理有限公司，山西 呂梁0330000）

隨著采掘深度的不斷延伸，在開采厚煤層過程中，回采巷道的支護(hù)是煤礦高產(chǎn)高效的關(guān)鍵，在厚煤層放頂煤開采過程中，不同放頂煤寬度及放頂煤采放比下巷道的采動應(yīng)力演化規(guī)律也不同，同時(shí)對采場及回采巷道進(jìn)行有效的控制是放頂煤開采的重要環(huán)節(jié)，此前眾多學(xué)者對綜放工作面覆巖的運(yùn)移規(guī)律及礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行過分析，劉偉韜,申建軍[1]基于鉆孔應(yīng)力解除法,對礦井底板采動應(yīng)力演化規(guī)律與破壞特征進(jìn)行了研究。通過現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)，隨著工作面的推進(jìn)，工作面前端煤巖應(yīng)力擾動不斷增大，支撐應(yīng)力逐步達(dá)到峰值。根據(jù)支撐壓力的演化規(guī)律將應(yīng)力擾動區(qū)域分為：未擾動區(qū)域（200 m以上）；弱擾動區(qū)域（工作面前方100～200 m）；強(qiáng)擾動區(qū)域（工作面前方50～100 m）；劇烈擾動區(qū)域（工作面前方50 m以內(nèi)）。李振杰[4]對深部巷道應(yīng)力演化進(jìn)行研究。運(yùn)用數(shù)值模擬對深部采動巷道的支護(hù)進(jìn)行分析，為其他礦井相似地質(zhì)礦山支護(hù)提供參考。本文以德順礦10106工作面為工程背景，對不用采放比及不放頂煤長度下巷道的采動應(yīng)力分布進(jìn)行分析，并給出合理的支護(hù)方案，保證礦井的安全開采。

1 采動應(yīng)力演化規(guī)律

在10106工作面，不同的端頭不放頂煤長度及不同的采放比對煤巖的支撐應(yīng)力演化規(guī)律也是不同，選用合適的采放比及端頭不放頂煤的長度會使得工作面開采更加安全，也會提升煤層的產(chǎn)量，同時(shí)不同端頭不放頂煤長度及采放比對巷道的圍巖變形也存在影響，本文利用數(shù)值 模擬軟件對不同放頂參數(shù)下圍巖變形進(jìn)行研究。根據(jù)德順礦的實(shí)際地質(zhì)資料對模型進(jìn)行建模，模型X、Y、Z向的長度分別為400 m、200 m和70 m，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的粗細(xì)對于模型的計(jì)算至關(guān)重要，網(wǎng)格劃分過細(xì)會大大加大計(jì)算時(shí)間，耽誤模擬進(jìn)度，所以選定合適的網(wǎng)格劃分方案。對模型進(jìn)行邊界及約束的設(shè)定，根據(jù)德順礦實(shí)際地質(zhì)資料可知覆巖的高度為400 m，體積力為25 kN/m3，側(cè)壓系數(shù)選定為1，經(jīng)過計(jì)算在模型的上端設(shè)定9.86 MPa。模型選定摩爾庫倫模型作為屈服準(zhǔn)則，建立模型。

首先對采放比1∶2，端頭不放頂煤長度3 m、6 m和9 m時(shí)回采工作面超前20 m、滯后20 m及80 m時(shí)工作面的側(cè)向支撐應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，支撐應(yīng)力分布曲線如圖1所示。

圖1 端頭不放頂煤長度3 m側(cè)向支撐應(yīng)力分布圖（采放比1∶2）

根據(jù)圖1所示可以看出，超前工作面20 m、滯后工作面20 m及滯后工作面80 m側(cè)向支撐應(yīng)力曲線呈現(xiàn)相似的規(guī)律，都呈現(xiàn)隨著距離工作面距離增大，垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)超前工作面20 m時(shí)，側(cè)向支撐應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在距離工作面10 m的位置，峰值應(yīng)力為26.7 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.1，在距離工作面3~50 m的范圍內(nèi)為應(yīng)力升高區(qū)，應(yīng)力的影響的極限范圍為47 m，應(yīng)力集中系數(shù)大于1.2的范圍為4~27 m，影響的距離為23 m。滯后工作面20 m時(shí)，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離工作面10 m的位置，應(yīng)力峰值為27.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.18，應(yīng)力升高區(qū)的范圍為3~55 m，應(yīng)力影響范圍為52 m，同樣應(yīng)力集中系數(shù)大于1.2的區(qū)域?yàn)?~25 m，應(yīng)力的影響范圍為21 m，較超前工作面20 m時(shí)有了一定的減小.當(dāng)滯后工作面80 m時(shí)，此時(shí)在距離工作面9 m時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力的峰值，峰值為27.6 MPa，應(yīng)力的集中系數(shù)為2.19，較滯后工作面20 m時(shí)略有升高，應(yīng)力升高區(qū)域?yàn)?~60 m，應(yīng)力集中系數(shù)大于1.2的區(qū)域影響范圍為4~28 m，影響的距離為24 m。同樣的對端頭不放頂煤長度6 m和9 m進(jìn)行研究，本文直接給出結(jié)果，當(dāng)端頭不放頂煤長度為6 m時(shí)，此時(shí)超前工作面20 m，應(yīng)力峰值距離工作面8 m，峰值為26.5 MPa，較高應(yīng)力升高區(qū)范圍為4~19 m；滯后工作面20m，應(yīng)力峰值距離工作面8m，峰值為27.3MPa，較高應(yīng)力升高區(qū)范圍為4~18m；此時(shí)滯后工作面80 m，應(yīng)力峰值距離工作面7 m，峰值為27.5 MPa，較高應(yīng)力升高區(qū)范圍為4~20 m。當(dāng)端頭不放頂煤長度為6 m時(shí)，此時(shí)超前工作面20 m，應(yīng)力峰值距離工作面8m，峰值為26.5MPa，較高應(yīng)力升高區(qū)范圍為4~18m；滯后工作面20m，應(yīng)力峰值距離工作面8m，峰值為27.3 MPa，較高應(yīng)力升高區(qū)范圍為4~17 m；此時(shí)滯后工作面80 m，應(yīng)力峰值距離工作面7 m，峰值為27.5 MPa，較高應(yīng)力升高區(qū)范圍為4~19 m。

根據(jù)對比可知，當(dāng)采放比一定時(shí)，端頭不放頂煤長度從3 m提升至6 m時(shí)，此時(shí)支撐應(yīng)力略有降低，峰值向回采工作面轉(zhuǎn)移，應(yīng)力升高區(qū)明顯減小，高應(yīng)力升高區(qū)范圍減小，當(dāng)長度從6 m增大至9 m時(shí)，側(cè)向支撐應(yīng)力、位置及高應(yīng)力范圍幾乎保持不變。

當(dāng)采放比為1∶1時(shí)，端頭不放頂煤長度從3 m增大至9 m時(shí)，支撐壓力曲線的變化規(guī)律與采放比1∶2時(shí)的幾乎相似，側(cè)向支撐應(yīng)力峰值相似，但應(yīng)力增高區(qū)域的影響范圍增大，所以在端頭不放頂煤長度一定時(shí)，采放比1∶2較采放比1∶1明顯較優(yōu)。當(dāng)采放比2∶1時(shí)，側(cè)向支撐應(yīng)力變化趨勢類似，但應(yīng)力升高區(qū)域的影響范圍較采放比1∶2和1∶1時(shí)更大，所以無明顯優(yōu)勢，所以合理采放比為1∶2，端頭不放頂煤長度6 m為放頂煤合理參數(shù)。

2 巷道支護(hù)方案

對此參數(shù)下無支護(hù)條件下巷道的圍巖應(yīng)力進(jìn)行模擬，模擬云圖如2所示。

從圖2可以看出，在無支護(hù)時(shí)，巷道掘進(jìn)期，煤柱處于應(yīng)力分布較低的區(qū)域，塑性區(qū)的范圍較大，煤柱的側(cè)幫變形量為250 mm，煤柱實(shí)體的變形量為170 mm，所以可以看出煤柱實(shí)體與煤幫的變形量不同，出現(xiàn)非對稱變形，所以需要對巷道進(jìn)行支護(hù)。考慮到巷道的非對稱變形，利用錨桿錨索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，以削減巷道的非對稱性變形，保證巷道的穩(wěn)定性，支護(hù)斷面圖如3所示。

圖2 巷道圍巖應(yīng)力云圖

圖3 斷面支護(hù)圖

如圖3所示，巷道的頂板選用左旋螺紋鋼錨桿，錨桿的直徑為20 mm，錨桿的直徑為2 400 mm，錨桿的間排距設(shè)定為940 mm×800 mm，在頂板每排布置6根錨桿，錨桿垂直于頂板進(jìn)行布置，錨索的選用1770級鋼絞線，錨索的規(guī)格為Φ21.6 mm×6 200 mm，間排距為1 889 mm×1 600 mm。巷道的兩幫支護(hù)錨桿同樣為Φ20 mm，長度為2 400 mm，間排距為800 mm×800 mm，每排布置4根錨桿，支護(hù)為對稱支護(hù)。對支護(hù)完成后的巷道變形進(jìn)行研究，支護(hù)對巷道變形的削減作用明顯，有效的保障了巷道的穩(wěn)定性。3結(jié)論

本文以德順礦10106工作面為背景，采用數(shù)值模擬軟件對不同采放比及不同端頭不放頂煤長度下側(cè)向支撐應(yīng)力進(jìn)行分析，給出最佳的放頂煤比和端頭不放頂煤長度分別為1∶2和6 m。對放頂煤比1∶2和端頭不放頂煤長度60 m下巷道圍巖的變形進(jìn)行研究，給出了巷道的支護(hù)方案，支護(hù)后圍巖的變形量得到了有效地控制，維護(hù)巷道穩(wěn)定性，保證礦井的安全生產(chǎn)。