永定庄矿沿空留巷数值模拟研究

帅鑫民

(同煤集团永定庄矿，山西 大同 037003 )

1 工程背景

永定庄矿评价埋深568 m，设计产能4 Mt/a，位于山西大同马兴鸥村，高瓦斯矿井，且顶板坚硬、难以管理。永定庄矿基于高瓦斯通风需求与降低巷道围岩应力的目的，现计划将W1318工作面留巷巷道作为W1319进风顺槽使用，并在距离留巷巷道35 m处掘进W1319回风顺槽，实施无煤柱开采。具体巷道位置见图1。

永定庄矿W1318工作面顶底板及煤层取样测试后，岩(煤)体力学性能测试结果汇总如表1所示。

图1 巷道位置布局

表1 岩石力学参数表

2 综放沿空留巷过程中上覆岩层力学机理研究

W1319工作面回采之前，相邻的W1318工作面顶板已形成“O-X”断裂结构，此类顶板结构随着采场周期来压后，采空区垮落物与基本体联合组成具有一定时效稳定性的的梁体结构，如第96页图2所示。

“O-X”断裂与基本顶、直接顶、煤层三者的厚度，还与煤层附近岩层岩性有关，如力学性质、容重等，同时与埋深、采高也有一定关系[1-3]。

建立W318沿空留巷建立模型示意图如第96页图3所示。

图2 “O-X”型破断形式平面图

图3 沿空留巷基本侧向顶板破断模型示意图

岩块B主要由三部分构成：1) 基本顶侧向断裂长度D，此处为原有巷道上方基本顶在采空区侧向断裂长度；2) 岩块自身厚度h；3) 块体沿工作面推进方向的长度L[4]。D可用公式(1)计算。

(1)

式中，L为计算求得的来压步距，m；h为基本顶岩层的厚度，m。

构建岩块B侧向悬臂梁长度力学模型，见图4。

图4 侧向悬顶悬臂梁力学模型

模型顶板为均布载荷q1，AB悬杆上分布实体煤帮载荷σy，支护阻力P2作用在x0(s

(2)

(3)

式中：P0为煤帮支护强度，Pa；φ0为内摩擦角，(°)；A1为侧压系数；λ为上容重，N/m3；k为应力集中系数；H为埋深，m；m为采高，m；C0为黏聚力，Pa。

测点A处计算见式(4)～式(5)。

∑M=0

(4)

(5)

由此可得式(6)。

(6)

其中，M′计算见式(7)～式(8)。

(7)

(8)

变形得式(9)。

(9)

式中：Rt为抗拉强度，Pa；h为直接顶厚度，m。

充填体支护强度P1与直接顶悬顶长度l关系见式(10)。

(10)

由式(10)可见，悬臂梁l的长度越大，所需巷旁阻力越大，可通过切顶卸压完成减小l进而减小P1。

将W1318与1319相关参数代入式(10)求得悬顶长度l低于8.63 m。

3 数值模拟

FLAC软件可以很好地基于真实地质状况，模拟围岩在不断开挖与施工中的各种状况，现对永定庄矿W1319工作面使用FLAC软件进行建模，分析W1319进风巷道在沿空留巷过程中，围岩应力、变形与塑性区分布状况[5-6]。

3.1 数值模型建立

建立数值模拟可以研究不同时期(如第97页图5)掘巷、W1318回采、W1319回采时期W1319进风顺槽的应力、位移与塑性区变化状况，依据现场情况建立220 m×120 m×38.52 m的模型，上部施加10.52 MPa载荷代替上部岩层，位移约束其余边界，采用摩尔-库伦准则模型，模拟对所需W1319进风顺槽岩石力学参数如表2所示。

图5 沿空留巷多次扰动示意图

表2 数值模拟岩石力学参数表

3.2 模拟结果分析

3.2.1 未受扰动期间

W1319进风顺槽附近区域在未受扰动期间的垂直应力分布状态如图6所示。

图6 未受扰动期间垂直应力

由图6可知，W1319进风顺槽所在岩层未受采掘扰动时垂直应力峰值为10.63 MPa，大多数区域处于原岩应力区且应力分布较为均匀，此时即为原岩应力，研究W1319进风顺槽分别再掘巷、一次回采、二次回采巷道围岩与此时应力对比，可直观分析出不同时期W1319进风顺槽所受应力大小。

3.2.2 掘进影响期间

掘巷后，得W1319进风顺槽附近区域应力云图、位移云图和塑性区云图如图7所示。

图7 掘进期间

根据上述模拟效果可知：

1) 掘进期间W1319进风顺槽巷道顶板6.5 m处围岩应力开始降低，垂直应力最大值为19.3 MPa。

2) 掘进期间巷道顶板塑性区深度3 m，两帮塑性区深度为2.7 m。

3) 掘进期间巷道顶板下沉量77 mm，最大底鼓量为34 mm，巷道煤柱帮移进量为60 mm。

3.2.3 W1318工作面回采影响期间

一次回采且应力稳定后，得W1319进风顺槽应力云图、位移云图和塑性区图如图8所示。

图8 W1318工作面回采影响期

1) 煤层超0.5 m处为应力降低区，最大范围在3 m内，煤帮5 m～8 m范围应力集中，一度达31.3 MPa，为原岩应力2.94倍。

2) W1319工作面的回采导致W1319进风顺槽围岩塑性区范围发生了很大的变化，W1319回风顺槽帮部塑性区范围达到6.5 m左右，位于侧向支撑压力峰值外侧0.5 m左右。

3) 巷道顶板下沉量达500 mm，底鼓量为85 mm，煤柱帮移进量多达400 mm，其中，煤柱帮部0 m～3 m附近整体位移量为400 mm。

3.2.4 W1319工作面回采影响期间

二次采动后W1319进风顺槽附近区域应力云图、位移云图和塑性区云图如图9所示。

1) 可见煤柱一侧应力集中，最大达29.1 MPa，

图9 W1319工作面回采期间

巷旁支护体顶端应力集中，达31.5 MPa，柔模支护体顶端应力31.5 MPa。柔模顶部集中应力最高达到57 MPa，是原岩应力的4.7倍。

2) 煤柱帮塑性区深度在6.5 m，相应塑性区范围进一步扩大，范围从巷道顶板一直延伸到上部围岩深部。

3) W1319进风巷道顶板下沉量达515 mm，煤柱帮移进量413 mm，W1319进风巷道变形量不大。

采取无煤柱开采后，W1319进风巷道在一次掘巷、W1318一次回采、W1319二次回采时巷道围岩变形总体都不大，满足正常生产需求，故采用无煤柱开采可行。

4 结论

1) 构建了沿空留巷力学模型，分析可知W1319进风巷道厚硬顶板条件对沿空留巷非常不利。计算得悬顶长度小于8.63 m，这表明悬臂的初次作用在W1319进风巷道的围岩上。

2) 模拟了W1319进风顺槽在不同时期：掘巷、一次采动、本工作面二次扰动的应力回采工程中应力、位移与塑性区变化。

3) W1319进风顺槽在掘巷时所受围岩应力较小，但在二次扰动后回采时巷道变形量：顶板下沉量515 mm左右，煤柱帮移进量413 mm左右，巷道总体变形量不大，可采用无煤柱开采。