综放沿空留巷充填体应力分布及卸压预裂角研究

杨晓敏

山西焦煤霍州煤电木瓜煤矿 山西 吕梁 033000

1 前言

为了提升煤炭的产出量，矿山开始选用无煤柱开采技术。无煤柱开采技术一般为沿空掘巷、沿空留巷和沿空留墙。此前杨瑞杰[1]采用FLAC-3D数值模拟软件对不同充填体下沿空留巷进行了一定的分析，对比了不同充填体下围岩的变形情况，并利用爆破卸压对顶板进行预裂，有效的维护了巷道的稳定性。涂强[2]为了解决深井围岩变形大的问题，通过对矸石筑墙对巷道的应力进行支撑，并通过数值模拟对矸石墙的宽度和厚度进行计算，有效的解决了变形大的问题。本文通过数值模拟对充填体充填效果进行分析，并对顶板预裂的角度进行研究，为解决巷道变形严重的问题作出一定的贡献。

2 巷旁充填体应力分析

巷旁充填体受力后会发生一定的变形，当工作面进行推进的过程中，巷道的顶板会形成大面积的悬顶，当工作面继续推进直接顶的垮落步距超过其极限承载时，直接顶会发生初次来压，此时上覆老顶受到外部载荷的作用发生一定的弯曲，当弯曲到达一定的极限会产生“O-X”断裂，随着工作面推进煤矿采空区被矸石逐步填充，工作面产生周期来压。岩块I为老顶岩层，岩块II为上区段弧形三角板，岩块III为上区段岩块。所以可以看出岩块II是上覆岩层稳定性的关键要素。采空区上覆岩层示意图如图1所示。

图1 采空区上覆岩层示意图

为了分析充填后应力特征行分析，利用FLAC-3D模拟软件进行建模分析，建立长度为350m、宽度为320m和高度为57m的三维模型，对模型展开网格的划分，在网格划分时，为了保证模拟的精确性及模拟的工作量大小，适当的选择网格划分的方式，网格划分完成后共有527744个网格和554313个节点。选取工作面的推进长度为220m，对模型进行属性的设定，岩石属性设定表如表1所示。完成属性设定后，对模型进行约束设置，在模型的边界进行水平约束固定。经过矿山的地质资料可知上覆岩层的应力为7.7MPa，所以对顶板施加固定载荷。

表1 岩石力学参数参照表

巷道充填物的材料属性选择摩尔-库伦模型，工作面每次推进10m，一直到工作面推进至220m的位置。为了分析不同工作面推进距离下巷道垂直应力分布情况，本文的推进距离分别选择30m、70m和190m进行分析，如图2所示。

图2 垂直方向应力分布云图

从图2可以看出，随着掘进工作的不断推进，巷旁的充填体的垂直方向应力分布的规律呈现出一定的相似性。巷旁的垂直应力分布在工作面推进过程中保持不变。观察图2（a）可以发现，当工作面推进至30m时，此时垂直应力最大为18.45MPa，垂直应力最小值为6.28MPa，巷旁充填体所承受的垂直应力小于工作面推进至70m和工作面推进至190m的最大垂直应力，所以可知在工作面推进至30m的范围时，充填体对巷道顶板支撑处在一个平稳的趋势下，充填体在此时刻呈现出四面受压。当工作面推进至70m的范围时，此时的巷旁充填体受到的垂直应力明显突然增大，此时的最大垂直应力来到了21.18MPa，较工作面推进30m时的18.45MPa提升了2.73MPa，最大垂直应力增大了14.8%。此时的最小垂直应力也增大至8.47MPa，增大了34.87%。发生这一现象的原因为工作面在从30m推进至70m的过程中，综放工作面顶板遭遇了顶板的初次来压，所以此时的巷旁垂直应力会出现一个较大的增长。此时的充填体的承压状态来到了3边支撑，此时的最大最小垂直应力的数值较工作面推进190m时也大。在工作面推进至190m时此时的巷旁垂直应力开始趋于平稳，此时的最大垂直应力为20.7MPa，最小垂直应力为8.9MPa。在工作面推进过程中顶板只会发生周期性的断裂并不会出现大面积的失稳。

3 不同预制角下切顶卸压分析

为了改善沿空留巷的围岩环境，本文通过对顶板进行切顶卸压来减小围岩的变形量，为了研究不同预制裂缝角度对切顶卸压的影响，利用FLAC-3D模拟软件对预制角度为0°、45°、60°、75°和90°进行模拟研究，建模过程如上述建模过程类似，这里不做赘述。模型的示意图如图3所示。

图3 不同预制角下模型示意图

对模拟的数据进行整理如图4所示，从曲线可以看出不同预制角下巷旁的垂直应力分布随推进距离的变化趋势类似。当工作面推进至0m时，此时垂直应力分布范围均在6MPa～8MPa之间，当工作面推进从0m至45m时，此时的垂直应力急速增大，预制角度在0°时，垂直应力出现峰值为23.47MPa；预制角为45°时应力峰值到了20.75MPa；预制角为60°时应力峰值到了18.57MPa；预制角为75°时应力峰值到了18.08MPa；预制角为90°时应力峰值到了18.06MPa。可以看出预制角从0°至90°的过程中垂直应力峰值呈现出减小的的趋势。当预制角为0°时，此时的沿空留巷围岩的垂直应力峰值最大，此时的巷道维护也较难，切顶卸压的效果不是很好。当预制角为90°时，此时的巷旁充填体的峰值应力最小，所以预制角为90°时的切顶效果最好，有效的保证了巷道围岩的稳定性。

图4 垂直应力随预裂角度变化曲线

4 结论

（1）对巷旁充填体受力进行分析，给出了综放工作面上覆岩层运移规律，并对沿空留巷巷旁充填体变形机理进行分析。

（2）随着工作面的推进，巷旁充填体垂直应力的分布呈现出一定的相似性。当工作面推进至30m时，最大垂直应力为18.45MPa，最小垂直应力为6.28MPa。当工作面推进至70m时初次来压，垂直应力明显增大。

（3）对不同预制角下的顶板进行切顶卸压发现，垂直应力随工作面推进距离的变化曲线呈现出一定的相似性，且从预制角从0°提升至90°的过程中垂直应力呈现出减小的趋势，所以预制角为90°时的切顶卸压效果最好。