工作面长度对综放沿空留巷围岩稳定性影响模拟研究

2017-06-19郑现菊

采矿与岩层控制工程学报 2017年3期

关键词：空留巷区段巷道

郑现菊，张慧

(1.郑州财经学院土木工程学院，河南郑州 450000；2.黄淮学院建筑工程学院，河南驻马店 463000)

工作面长度对综放沿空留巷围岩稳定性影响模拟研究

郑现菊1，张慧2

(1.郑州财经学院土木工程学院，河南郑州 450000；2.黄淮学院建筑工程学院，河南驻马店 463000)

以倾斜煤层综放工作面为研究对象，当工作面长度不同时，对综放沿空留巷围岩稳定性随上下区段工作面回采的演化进行了模拟研究，以得到上下区段工作面回采时，工作面长度对留巷围岩稳定性的影响规律，并对留巷受两次采动影响的围岩应力和位移进行分析对比。结果表明：在工作面推进相同距离时，随着工作面长度的增大，左帮的垂直应力受影响较大，且左帮应力比右帮应力大，巷道底板和右帮位移量变化并不明显；留巷变形量受二次回采的影响会进一步增大，因此，为保证留巷的成功，工作面一次回采时，应对巷道围岩加强控制。

工作面长度；围岩稳定性；沿空留巷；二次回采

Simulation Study of Surrounding Rock Stability Influence of Gob Side Entry Retaining with Fully Mechanized Top Coal Mining by Working Face Length

近年来，随着科技的进步，综放沿空留巷理论研究得到了快速发展[1-3]，并在大量工程实践基础上，研究了综放沿空留巷的矿压显现规律[4-5]，考虑多种因素的前提下重点论述了综放沿空留巷围岩变形和应力分布的基本特征[6-8]。对于合理使用综放沿空留巷技术具有一定的指导意义，但对生产技术因素中工作面长度对综放沿空留巷围岩稳定性研究较少。

本文利用三维有限差分FLAC3D模拟软件，对综放沿空留巷围岩稳定随工作面长度不同时的变化规律进行模拟研究，探索上下区段工作面的回采对留巷围岩应力和位移变化规律的影响，对于进行相似地质条件下的综放沿空留巷的支护设计具有一定的参考意义。

1 建立模型

1.1 模型几何参数与结构

以某煤矿实际情况为背景，建立数值模拟模型。模型长224m，宽160m，高170m。工作面煤层倾角平均为25°，煤层平均厚度为7m，工作面长度为90m，设计留巷埋深为500m，沿空留巷为4m(宽)×3m(高)的矩形巷道，巷道顶底板及两帮采用排距为1m的20mm×2.2m高强预应力让压锚杆全长锚固，顶板设置2根间排距为2m的20mm×6m让压锚索，锚固至较硬的直接顶岩层，其主动支护阻力设为40kPa。根据沿空留巷顶板岩层破断的基本规律，建立沿空留巷力学模型，合理确定了巷旁支护体各项参数[2,6]，巷旁支护体强度为50 MPa，墙体宽3m，留巷设计端头不放顶煤宽度为6m，为减小边界效应，在模型各边界分别预留30m煤柱。沿空留巷为本次研究的主要对象，因此需对留巷周围和巷道较远部位进行网格的疏密控制，图1为划分的模型网格分布。

图1 网格分布

1.2 模型边界条件及岩性物理力学性质

模拟采用摩尔—库伦模型，几何模型6个边界面中5个面固定，顶面施加应力边界条件，4个侧面施加水平位移约束，下边界为竖直向上位移约束条件，上覆岩层的自重力通过施加于顶部外荷载的形式实现。表1为模型中岩性的物理力学参数。

1.3 计算方案

针对某矿倾斜煤层综放工作面的实际地质条件，采用三维有限元差分数值软件对综放沿空留巷巷道围岩的稳定性进行数值模拟研究。在分析现有研究资料的基础上，本文重点分析工作面长度不同时，上下区段工作面两次回采超前支承压力对留巷围岩的应力与位移的影响变化规律。模拟方案共3种，分别为：工作面面长为70,90,110m。

表1 各岩性的物理力学参数

模拟的沿空留巷方案为上区段上下巷开挖、锚固、平衡计算以后，首先进行上区段工作面的回采，工作面每推进5m进行1次架后巷旁支护体设置，并进行平衡计算；上区段的运输巷通过沿空留巷技术保留下来。其工作面回采完后，回采下区段工作面，此时留巷作为该工作面的轨道巷，下区段工作面回采步距仍为5m且回采1次平衡1次，因下区段工作面后方的留巷不再使用，下区段回采过程中仅观测工作面前方超前支承压力对留巷围岩的变形规律，方案设计如图2所示。为监测留巷围岩的位移与应力的变化规律，分别在留巷两帮及顶底板的中心线上设置位移监测点，在巷道右帮2m处的巷旁支护体内和巷道左帮4m处的实体煤内设置应力监测点。测点布设如图3所示，本文选取的工作面切眼与监测面之间距离50m。

图2 沿空留巷方案

图3 留巷周围测点布设

2 模拟结果分析

2.1 上区段工作面回采时的模拟分析

图4～5分别描述了工作面长度不同时，在煤层开采过程中，巷道监测点的位移和应力变化规律。

图4 巷道围岩位移变化曲线

由图4可以看出，在上区段工作面推进过程中，巷道变形量受工作面面长的影响程度逐渐增大，工作面面长越大，巷道顶板和两帮的位移量越大，巷道底板受工作面面长的影响较小，其位移量基本不变。由图5可知，巷道左帮垂直应力较高，受工作面面长的影响较为明显，随工作面面长的增大而增大；巷道右帮垂直应力相对较低，在工作面后方，垂直应力迅速减小并趋于稳定，基本不受工作面面长变化的影响。

图5 巷道围岩应力变化曲线

2.2 下区段工作面回采时的模拟分析

图6～7分别描述了工作面长度不同时，在煤层开采过程中，巷道监测点的位移和应力变化规律。

图6 巷道围岩位移变化曲线

图7 巷道两帮垂直应力变化曲线

由图6可以看出，当工作面推进50m时，巷道位移变化增加。在工作面面长分别为70，90，110m时，下区段工作面前方沿空留巷顶板下沉量分别达到154，185，228mm，巷道左帮向巷内产生位移偏移，偏移量依次是106，121， 143mm，右帮的位移量以及底板受工作面面长变化的影响相对较小。由图7可知，巷道左帮垂直应力较高且随工作面的推进而缓慢增加，在工作面推进相同步距下，工作面越长巷道左帮应力越大。距工作面10m范围内的煤层发生破碎，导致垂直应力迅速降低；巷道右帮垂直应力在工作面前方20m处开始随工作面面长的增大而逐渐增大。