原巷充填開采推進速度對圍巖應力的作用分析

魏生喜

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦，山西 太原 030200）

煤炭是我國主要的能源形式，隨著煤炭資源的不斷開采利用，煤炭的深度開采已成為當下煤礦開采的主要形式。由于深度開采的巷道受到煤層埋深、構造應力及采動作用的影響，使得深度開采的巷道煤柱寬度逐漸增加，并且不易進行維護，從而造成采場的巷道維護困難、回采率低等問題，不利于煤炭的開采利用[1]。針對巷道的埋深較大且回采率較低的情況，原巷充填開采成為有效的開采方式，并取得了成功的應用。原巷充填開采可以通過充填物來消除煤柱應力集中的現象，從而解放下層煤層，實現安全掘進采煤；采用的充填物質具有較強的支撐作用及密閉性，避免了漏風、瓦斯泄漏等問題；在開采過程中，具有極好的定向性，減少了采空區內的煤柱，提高了煤炭的回收率[2]。在進行原巷充填開采的過程中，由于對充填的巷道圍巖應力變化的研究相對較少，使得開采效率受到一定影響，因此，本文通過采用仿真分析的方式，對開采過程中推進速度造成的圍巖應力變化進行分析，從而可以選擇適當的推進速度，以提高開采效率。

1 數值計算模型的建立

采用FLAC數值仿真分析軟件，對原巷充填開采的圍巖應力變化進行仿真模擬，建立原巷充填開采的工作面模型。依據某礦井的實際地質條件，其直接頂由泥巖和細砂巖組成，工作面的老頂由粉細砂巖組成，底板主要由底泥巖組成，地質條件較為復雜。采用FLAC3D三維差分軟件建立原巷充填開采的模型[3]，設定模型的總體尺寸為1 290 m×203 m×248 m（長×寬×高），建立的計算模型如圖1所示。

圖1 原巷充填開采仿真模型

設定模型中含有頂底板巖層，巖層的平均角度為7°，巷道的斷面設置采用四邊形結構，充填寬度為3 m，依據工作面的實際深度，在模型頂部施加13.5 MPa的均布載荷，并對開采過程中推進速度引起的圍巖應力變化進行分析[4]。

2 推進速度對圍巖應力作用的仿真分析

對推進速度產生的影響作用進行仿真分析，在模擬過程中，采用隨采隨充的方式，充填的速度與開采的速度相一致。在開采過程中，通過改變巷道的充填速度來對圍巖的應力、位移進行分析。設定推進速度分別為4 m/d及6 m/d兩種不同的工況，由此展開模擬分析。

2.1 推進速度對圍巖應力分布的影響

通過對開采推進過程中圍巖的應力作用進行分析，得到巷道的應力變化圖，如下頁圖2所示。又對不同推進速度下、不同位置處得到的應力進行統計分析，得到巷道垂直應力隨工作面距離的變化情況，如下頁圖3所示。

圖2 巷道的應力（MPa）變化仿真

從圖3中可以看出，隨著原巷充填開采的推進速度的變化，圍巖的應力變化在整體趨勢上保持一致，應力的大小變化差值較大。在工作面以4 m/d的推進速度工作時，在巷道工作面前方1～6 m時垂直應力逐漸升高，在6 m左右的位置處出現最大應力；在工作面以6 m/d的推進速度工作時，在巷道工作面前方1～4 m左右的位置處出現最大應力。兩種不同推進速度下的巷道主要承受的采動作用相差不大，巷道的垂直應力相似。隨著工作面的推進，巷道的垂直應力逐漸降低，且下降的速度隨著工作面的推進逐漸減小，在巷道前方60 m處較遠位置時，兩者之間的巷道垂直應力基本保持穩定，兩者間的數值相差不大。由此可知，在工作面前方的相同距離處，工作面的推進速度對垂直應力具有較大的影響，推進速度越快，巷道的垂直應力越小，且隨著工作面距離的增加，巷道的垂直應力下降趨勢一致，影響程度也逐漸減弱，垂直應力逐漸趨于穩定，推進速度較快的巷道垂直應力較小[5]。這說明，充填開采的過程中，充填物質對于巷道起到了支承作用，降低了巷道的圍巖應力。

圖3 巷道垂直應力隨工作面距離的變化

2.2 推進速度對圍巖位移分布的影響

通過對開采推進過程的位移作用進行分析，得到巷道的位移變化如圖4所示，對不同的推進速度下不同位置處得到的位移進行統計，得到巷道頂底板位移隨工作面距離的變化情況，如圖5所示。

圖4 巷道的位移（mm）變化仿真

圖5 巷道頂底板位移隨工作面距離的變化

從圖5中可以看出，在采用相同充填條件進行開采的情況下，不同推進速度下的圍巖頂底板位移變化趨勢保持一致，但在位移變化的數值上有一定的差距。在工作面前方1 m左右的位置處，兩者主要受采動作用的影響，兩者之間的位移相差不大；隨著工作面距離的增加，在2～13 m的范圍內，當工作面以4 m/d的推進速度工作時，巷道頂板的位移下降值與工作面以6 m/d的速度推進過程中的位移下降值相差不大；在13～24 m的范圍內，隨著工作面的推進，巷道頂板的位移下降值有所減緩，下沉量減小；在巷道前方60 m處的較遠位置時，兩者之間的巷道位移保持穩定，推進速度為6 m/d的下沉量保持較小的數值。由此可知，在工作面不同的推進速度下，巷道頂底板的位移量隨著工作面前方距離的增加而逐漸降低，且推進速度較大時的位移量較小。隨著工作面的推進，巷道的頂底板位移量趨于穩定，不再變化，這說明推進速度對頂底板的位移影響逐漸減弱[6]。這說明，在進行充填開采的過程中，采用較快的充填速度，更利于充填物對巷道的穩定維持，減少巷道支護，加強了支護作用。

3 結語

原巷充填開采可以提高資源的回收率，保證開采過程的安全，是行之有效的開采方式。在開采過程中，推進速度會影響開采效率，采用仿真分析的方式分析了推進速度對圍巖應力的影響作用。結果表明，隨著工作面的推進，在充填速度較快的巷道中，充填物質對頂板起到較好的支承作用，巷道的垂直應力及頂底板的位移均呈現較小值，巷道的穩定性較高。在開采過程中，可適當提高掘進速度，從而提高煤礦的開采效率。