综放工作面卸压巷布设参数的数值模拟分析

＊聂于斐

（晋能控股煤业集团燕子山矿 山西 037037）

在综采面回采的过程中，容易加剧应力增高带相互重叠的程度。卸压开采，指利用应力转移的原理，采取一定的卸压措施，将工作面回采区域的较高应力转移到周围，从而降低回采区内的应力，改善原有的应力分布形态，以实现顺利开采[1]。关于卸压开采方面的研究，国内外在现场方面进步较大，通过改变采掘顺序，煤层预注水，爆破卸压，合理支护等措施来控制[2]。在理论方面，从定性到定量的分析转变，再到有限元的数值计算等，开展了大量研究，但在数值方法上仍进展缓慢，究其原因在于未能清楚认识卸压的机制，无法建立卸压力学的分析模型；在实验上，由于受到设备材料和地质环境的限制，模拟卸压开采难度很大。因此，对于卸压开采，在理论和实践上需要更多的研究探索。开掘卸压巷道法便是卸压开采诸多方法中的一种，通过在护巷煤柱中与巷道隔一定距离掘一条可以卸压的巷道，这条护巷煤柱必须邻近采空区，这样一来原来较大的煤柱就被分成了两个小煤柱，使得靠近采空区的承载煤柱主要负载了它的压力，而邻近巷道的煤柱承担压力大大减少,因此回采巷道便处于了低应力区内[3]。本文以某矿综放工作面为主要研究对象，在顺槽巷的护巷煤柱中开掘卸压巷进行科研尝试。通过理论计算、数值模拟分析，验证了在护巷煤柱中开掘卸压巷对临空开采动压治理的可行性。

1.理论公式

通常在煤层未开采时，煤层以及围岩中赋存的瓦斯保持着压力平衡的状态，而工作面回采打破了这种状态，促使其压力被迫重新分布，卸压巷则利用此规律通过降低顺槽巷道围岩应力来达到减小巷道变形的目的，但是前提要求必须在护巷煤柱中开掘。巷道布置及应力分布如图1所示。

图1 巷道布置与应力分布

对卸压巷作用有影响的一些预置参数主要有：煤柱中卸压巷的水平布设地点，垂直布设方位，截面尺寸，支护的强度等[4-5]。该矿已开采到石炭二叠纪特厚煤层，一、二两个盘区回采面临空开采遇见了严重的矿压显现，在尾巷超前40m之内，顶板出现下沉，底板鼓起、两帮变形非常严重，整个巷道最低处不足2m，顶板来压时超前支柱钻底歪斜、钢带出现断裂、锚杆锚索不起作用等状况，部分区域发生矿压应力异常集中释放事件危害了矿井生产安全。通过研究一盘区8106工作面，用5106顺槽巷做试验，在它的护巷煤柱中开掘卸压巷，考虑到试验的安全性，开掘卸压巷的截面暂定为4m×3.1m，顺槽巷的支护强度要略高于卸压巷的支护强度。关于选取卸压巷位置的合理选取[6]，公式如下[7]：

(1)让压煤柱的总荷载

式中，H为巷道埋深（H=500m）；γ为上覆岩层的容重（γ=25kN/m3）；d为卸压巷宽度；b为巷道宽度；Ln为让压煤柱宽度；Lp为加载带宽。

(2)让压煤柱承受的极限荷载

式中，M为卸压巷的高度；R为让压煤柱的抗压强度（极限条件下），因室内煤样的抗压强度在27～37MPa之间，所以取其平均值32MPa，强度折减系数取0.284，故让压煤柱在极限条件下的抗压强度取9.08MPa。

(3)让压煤柱宽度

式中，k表示回采面超前承载压力的集中系数，一般取值为3。联立上述几个公式计算可得让压煤柱的宽度Ln=14.07m，取整Ln=15m。因此通过计算可知，顺槽和卸压巷之间的煤柱宽度大约为15m。

2.开掘卸压巷后的煤柱压力分析

利用可以分析岩石真实破裂过程的软件，简称RFPA系统，来对开掘卸压巷进行数值模拟，该系统在对岩石材料非均匀特点以及受到破坏的过程方面仿真度很高。在数值计算的计算单元这块，RFPA系统通过并入岩石材料的非均质性参数来真实展现出岩层所有不符合线弹性本构的其他本构关系，诸如弹性类，塑性类和损伤类等非线性本构关系。此外基本所有单元的力学参数都服从统计学中的分布，受到外力的时候仅仅体现两种状态（破坏或者不破坏），被破坏后承载能力大幅下降，相应就增加了周围其它单元负载，从而形成了应力集中的区域，这样一来其周围强度比较弱的单元就进一步被破坏，在破坏的单元相连后产生了更大的应力集中区，导致破坏的数量大幅上涨，连成一片，最终出现了宏观裂纹[8]。所以RFPA系统可以对裂纹的萌生、扩展以及回采工作面的推进时底板不断破断的过程进行仿真模拟。这在传统的有限单元法中是无法实现的。

回采面的矿压破坏了巷道围岩，主要由两方面原因：一方面由于受到回采面的超前支护压力以及上下平巷两侧的固定支承压力的压缩；另一方面随着工作面推进，顶板老顶岩梁超前断裂等情况的出现破坏了应力场，导致其急剧变化，实验在距离顺槽留设15m煤柱开卸压巷，图2为开掘卸压巷后，回采面分别采到60m、120m、180m、210m时，上覆岩层与底板变形、跨落及相应的剪应力动态演化过程。在图中灰度的亮暗代表应力的大小，如果灰度越来越亮，则表示应力越来越大，反之灰度越暗，应力越小。

图2 卸压巷布置及应力分布图

图3～4为图2(c)中顺槽两侧煤柱与煤体剪应力分布曲线。当煤柱和采空区相差大约8m时，与采空区相邻一侧的顺槽顶底板的剪应力最大接近12MPa。

图3 卸压巷形成后顺槽顶板剪应力分布规律

图4 卸压巷形成后顺槽底板剪应力分布规律

数值模拟结果表明：

（1）由于受到开采的影响导致应力得到释放，回采面煤壁的支承压力值不大；远离采区的地方支承压力值总体变化大概是：先升高到峰值，然后开始降低到原岩应力状态。

（2）在工作面不断向前推进时，采空区慢慢变大，采空区煤体最初承载的上覆岩层的重量转移到两侧煤壁，采空区上方的岩梁断裂变多，破坏了煤壁前面的煤层。

（3）随着工作面向前不断推进以及初次来压结束后，采区以外由于开采煤层空间增大，其煤柱支撑的上覆岩体重量慢慢增大，所受的支承压力也不断变大，煤体、岩层达到塑性态，顶板开始跨落、出现底鼓。

（4）当工作面向前推进到120～210m范围时，集中应力逐渐升高变强，煤壁支撑应力比原始应力大约3～4倍，推进180m时最大应力值为49MPa左右，在工作面前面15～29m深的地方，顶板均出现下沉，最大525mm深，底板大概150mm，两帮位移量超过260mm，顶板遭遇拉剪力作用，超前6m范围内的围岩也是如此。

3.卸压效果分析

为了比较卸压巷的卸压效果，图5～6是对有无卸压巷时上述两种应力曲线的比较。

图5 顶板剪应力分布规律

图6 底板剪应力分布规律

根据图5～6所示，卸压巷开掘之后煤柱顶板、底板所受剪应力大幅减少，最大几乎减小一半。分析比较顶板剪应力，最大剪应力从23MPa左右降到约12MPa，约减少48%，底板最大应力从22MPa左右降到约12MPa，减少了45%。

4.结论

（1）通过矿压理论分析和计算，并对回采工作面临空开采区段护巷煤柱内预置卸压巷进行数值模拟分析，得到理论上护巷煤柱中开掘卸压巷的合理位置为煤柱中距顺槽巷15m，并确定现场试验卸压巷设置参数为：截面尺寸为4m×3.1m，支护强度略低于顺槽巷道，沿煤层底部开掘；同时根据实验巷道在临空开采扰动下动压显现特征及试验卸压巷的布设特征，得到8106工作面护巷煤柱中卸压巷的合理开掘位置应该位于煤柱中距顺槽巷15～29m之间。

(2）深入分析了回采面推进过程中剪应力的动态变化过程，通过比较分析有无卸压巷时的应力曲线得出，巷道围岩应力，煤柱承载的压力以及受到的剪应力在开掘卸压巷后下降幅度明显，可以达到卸压的效果。