王尚鑫

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

1 工作面概況

1.1 工作面參數(shù)

某煤礦24208工作面標(biāo)高376～456 m，位于北二采區(qū)，東面至北軌大巷，西面為開(kāi)拓區(qū)，南面為正在回采的24207工作面，北面的4號(hào)煤工作面未施工，僅上覆的22201工作面正在回采。24208工作面回采長(zhǎng)度1 500 m，工作面傾斜長(zhǎng)度260 m。煤層厚度3.5～4.3 m，平均厚度4.12 m，開(kāi)采煤層有益厚度為4.07 m，煤層傾角4°。

1.2 煤層頂?shù)装迩闆r

1）煤層頂板。煤層直接頂為泥巖，灰黑色泥巖，含植物碎片化石，上部有菱鐵礦，局部含砂，平均厚度5.6 m；老頂為灰色中砂巖，有可見(jiàn)大量的白云母碎片，頂部漸粗，平均厚度4.5 m。

2）煤層底板。直接底為中砂巖，灰色中砂巖，可見(jiàn)大量的白云母碎片，頂部漸粗，平均厚度1 m；老底為黑色粉砂巖，有植物碎片化石，平均厚度1.58 m[1]。

2 模型的建立及模擬方案

2.1 模型建立

以24208沿空留巷膠帶巷為實(shí)際工程背景建立的幾何模型，根據(jù)圣維南原理巷道圍巖影響范圍為3～5倍的巷道截面，工作面一側(cè)由于對(duì)稱性取工作面的一半長(zhǎng)度，模型具體尺寸為長(zhǎng)120 m，寬120 m，高65 m，網(wǎng)格劃分為分析巷道圍巖的應(yīng)力和變形對(duì)巷道周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密。錨桿用植入式桁架模擬，錨桿間排距為800 mm×800 mm，頂板錨桿長(zhǎng)2 500 mm，兩幫錨桿長(zhǎng)2 000 mm。巷道高度3 900 mm。隔離墻寬度為1 mm，采用C30的混凝土。

對(duì)24208工作面煤體實(shí)地取樣測(cè)試，同時(shí)參考鄰近24207工作面的各巖層參數(shù)為依據(jù)確定。模型中所采用的煤層巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬巖層及支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值計(jì)算方案

數(shù)值模擬過(guò)程中采用施工階段分析來(lái)模擬煤層開(kāi)挖和隔離墻的支護(hù)，煤層開(kāi)挖70 m，分14步開(kāi)挖，每步開(kāi)挖5 m，隔離墻緊隨煤層開(kāi)挖相差一步進(jìn)行支護(hù)[1-2]?？紤]不同留巷跨度對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響，設(shè)置數(shù)值計(jì)算方案如下。巷道高度3.9 m，相同支護(hù)條件下留巷跨度為3.5 m，4 m，4.5 m，5 m，5.5 m，6 m，6.5 m，7 m時(shí)，分析工作面后方5 m，10 m，20 m，40 m的最大垂直應(yīng)力分布規(guī)律，最大水平應(yīng)力分布規(guī)律，最大剪切應(yīng)力分布規(guī)律，頂板和煤幫最大變形量分布規(guī)律，圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律[2]。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 沿空留巷期間不同跨度工作面后方圍巖剪切應(yīng)力分布規(guī)律

計(jì)算平衡后，取巷道頂板靠近煤幫的上幫角所在單元的節(jié)點(diǎn)輸出巷道頂板剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)[3]，不同跨度工作面后方巷道頂板最大剪切應(yīng)力值如下頁(yè)表2所示。由表2可知：隨著跨度的增加，巷道頂板的剪切應(yīng)力峰值增大，基本按線性規(guī)律變化，當(dāng)跨度達(dá)到5.5 m后增加幅度明顯高于3.5～5.5 m之間的增加幅度；跨跨度增加，圍巖剪切應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，且集中范圍不斷擴(kuò)大，巷道頂板靠近幫角和巷道頂板上方一定距離應(yīng)力集中程度最高，底板和煤幫剪切應(yīng)力集中程度小。

表2 工作面后方不同跨度巷道頂板剪切應(yīng)力峰值

3.2 沿空留巷期間不同跨度工作面后方圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律

工作面開(kāi)挖40 m后，考慮跨度對(duì)圍巖垂直應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布規(guī)律的影響，分別對(duì)工作面后方5m、10m、20 m、40 m實(shí)體煤體和隔離墻垂直應(yīng)力進(jìn)行分析。

同理根據(jù)模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)出工作面后方5 m，10 m，20 m，40 m不同跨度煤幫和隔離墻垂直應(yīng)力峰值及煤幫應(yīng)力峰值距煤壁的距離數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表3、表4、表 5所示。

表3 工作面后方不同跨度實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力峰值

表4 工作面后方不同跨度隔離墻垂直應(yīng)力峰值

表5 工作面后方不同跨度煤幫垂直應(yīng)力峰值與煤壁的距離

由表2可知煤幫附近垂直應(yīng)力集中程度較大，集中范圍不斷擴(kuò)大，在工作面后方40 m當(dāng)跨度從3.5 m增加到7 m時(shí)，煤幫應(yīng)力集中系數(shù)從3.3增加至3.9，增加幅度較大。

由表3、表4可知隨著跨度的增加，煤幫垂直應(yīng)力峰值和隔離墻垂直應(yīng)力峰值基本按線性規(guī)律變化，隨著工作面的向前推進(jìn)，工作面后方40 m較工作面后方5 m煤幫垂直應(yīng)力峰值從33.4 MPa減小至20.1 MPa，減小幅度51.2%；隔離墻垂直應(yīng)力峰值從41.4 MPa減小至28.2 MPa，減小幅度46.1%。工作面后方隨著跨度的增加，煤幫垂直應(yīng)力和隔離墻垂直應(yīng)力成增加的趨勢(shì)，當(dāng)跨度從3.5 m增加至5.5 m時(shí)增加幅度較為平穩(wěn)，當(dāng)跨度從5.5 m增加至6 m時(shí)，垂直應(yīng)力產(chǎn)生突變，應(yīng)力增加幅度明顯增加。主要是由于跨度增加，巷道上方處于小結(jié)構(gòu)之中的頂板巖層自重增加，當(dāng)跨度進(jìn)一步增加到5.5 m時(shí)，老頂關(guān)鍵塊形成的巖梁結(jié)構(gòu)也可能會(huì)失去平衡，從而使一部分荷載加在煤幫和充填體上[4]。

由表5可知，隨著跨度的增加，煤幫垂直應(yīng)力集中程度最大的點(diǎn)距離煤壁的距離成減小的趨勢(shì)，但基本保持在2～3 m的范圍內(nèi)。

3.3 沿空留巷期間不同跨度工作面后方圍巖水平應(yīng)力分布規(guī)律

取工作面后方5 m、10 m、20 m、40 m不同跨度頂板水平應(yīng)力峰值分析沿空留巷跨度對(duì)圍巖水平應(yīng)力動(dòng)態(tài)分布規(guī)律的影響，數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)出的工作面后方不同跨度頂板水平應(yīng)力峰值如表6所示。

表6 工作面后方不同跨度頂板水平應(yīng)力峰值

由表6可知，隨著工作面的向前推進(jìn)，在工作面后方0～20 m，頂板水平應(yīng)力隨著離工作面的距離越大而增加，且增加幅度較工作面后方20～40 m大；隨著跨度的增加，頂板水平應(yīng)力峰值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，并且當(dāng)跨度在3.5～5.5 m時(shí)減小幅度較為平穩(wěn)，當(dāng)跨度從5.5 m增加到6 m時(shí)，頂板水平應(yīng)力發(fā)生突變，當(dāng)跨度在6 m以后，水平應(yīng)力峰值變化不大。

3.4 沿空留巷期間不同跨度工作面后方頂板煤幫變形分布規(guī)律

計(jì)算平衡后，對(duì)于不同跨度取工作面后方5 m、10 m、20 m、40 m巷道上方左右角點(diǎn)所在塊體輸出節(jié)點(diǎn)的位移，得出的實(shí)體煤和頂板的下沉量如下頁(yè)表7、表8所示。

由下頁(yè)表7、表8可知，隨著距離工作面的距離越來(lái)越大，工作面后方巷道頂板、煤幫最大下沉量呈增大的趨勢(shì)，工作面后方40 m時(shí)頂板、煤幫下沉量最大，由沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律知工作面后方40 m左右后方圍巖變形達(dá)到穩(wěn)定。

表7 工作面后方不同跨度頂板下沉量

表8 工作面后方不同跨度實(shí)體煤幫下沉量

3.5 沿空留巷期間不同跨度工作面后方圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，不同跨度煤幫塑性區(qū)范圍在工作面后方40 m時(shí)最大，并在40 m后方達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。以等效塑性區(qū)半徑反映煤幫塑性區(qū)的范圍，工作面后方40 m煤幫塑性區(qū)半徑變化隨跨度的變化曲線如圖1所示。

由圖1可得，煤幫塑性區(qū)范圍隨巷道跨度的增加而擴(kuò)大，當(dāng)巷道跨度小于5 m時(shí)，煤幫等效塑性區(qū)半徑在226 mm左右，基本保持不變，當(dāng)跨度達(dá)到5.5 m時(shí)，塑性區(qū)范圍發(fā)生突變。荷載重新分布過(guò)程中，由于集硬效應(yīng)，使荷載主要集中在剛度較大的煤幫和充填體上，由于煤幫處于沿空留巷圍巖形成的小結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，主要受到斷裂拱內(nèi)的巖梁作用，而關(guān)鍵塊在巖層中的斷裂位置隨著跨度的增加會(huì)保持在某一固定值，所以煤幫受到的巖梁力在巷道發(fā)生破壞前不會(huì)產(chǎn)生很大變化，隨著跨度增加，煤幫受到的力會(huì)增加，但增加幅度不會(huì)很大，當(dāng)跨度到達(dá)5.5 m時(shí)，老頂關(guān)鍵塊形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)可能會(huì)失穩(wěn)致使一部分荷載加在煤幫上，塑性區(qū)范圍會(huì)產(chǎn)生一定程度突變[5]。

4 結(jié)論

1）跨度增加，圍巖剪切應(yīng)力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，且集中范圍不斷擴(kuò)大，巷道頂板靠近幫角和巷道頂板上方一定距離應(yīng)力集中程度最高，底板和煤幫剪切應(yīng)力集中程度小。巷道頂板剪切應(yīng)力峰值隨著跨度的增加而增加，當(dāng)跨度在5.5 m時(shí)，頂板剪切應(yīng)力峰值產(chǎn)生一定程度的突變。巷道頂板靠近煤幫的幫角為剪切應(yīng)力破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)。

圖1 工作面后方40 m煤幫塑性區(qū)等效半徑變化隨跨度的變化曲線

2）工作面后方隨著跨度的增加，煤幫垂直應(yīng)力和隔離墻垂直應(yīng)力成增加的趨勢(shì)，當(dāng)跨度從3.5 m增加5.5 m時(shí)增加幅度較為平穩(wěn)，當(dāng)跨度從5.5 m增加至6 m時(shí)，垂直應(yīng)力產(chǎn)生突變，應(yīng)力增加幅度明顯增加。隨著跨度的增加，煤幫垂直應(yīng)力集中程度最大的點(diǎn)距離煤壁的距離成減小的趨勢(shì)，但基本保持在2～3 m的范圍內(nèi)。

3）沿空留巷工作面后方水平應(yīng)力在巷道左邊角隅處一定范圍內(nèi)應(yīng)力集中程度大，隨著巷道跨度的增加，頂板水平應(yīng)力集中程度大的范圍區(qū)域成增大的趨勢(shì)，并向?qū)嶓w煤幫方向擴(kuò)展，當(dāng)跨度從3.5 m增加到7 m時(shí)，頂板水平應(yīng)力集中程度最大的點(diǎn)從長(zhǎng)1 m范圍增加至7 m范圍。

4）隨著巷道跨度的增加，巷道上方頂板的下沉量基本呈直線增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且增大幅度較大，煤幫的下沉量基本呈直線增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但增加幅度不大。

5）巷道圍巖塑性區(qū)主要在煤幫和隔離墻上較為發(fā)育，塑性區(qū)在煤幫處呈半橢圓形發(fā)展，隔離墻上部巖層塑性區(qū)范圍隨巷道跨度的增加有所增大；煤幫塑性區(qū)范圍隨巷道跨度的增加而擴(kuò)大，當(dāng)巷道跨度小于5 m時(shí)，煤幫等效塑性區(qū)半徑基本保持不變，當(dāng)跨度達(dá)到5.5 m時(shí)，塑性區(qū)范圍發(fā)生突變。