复合顶板条件下沿空留巷力学参数研究

颜秉超 韩 春 张贵银 徐宁辉 孙 路

(1.山东省冶金设计院股份有限公司；2.山东科技大学矿业与安全工程学院)

复合顶板条件下沿空留巷力学参数研究

颜秉超1韩 春2张贵银2徐宁辉2孙 路2

(1.山东省冶金设计院股份有限公司；2.山东科技大学矿业与安全工程学院)

以军城煤矿31203复合顶板薄煤层综采工作面为工程背景，在采用无煤柱护巷技术的基础上，建立了沿空留巷围岩力学模型，对巷旁支护阻力、切顶力学参数、顶板下沉量等进行了计算，并采用FLAC3D数值模拟软件研究了复杂顶板条件下薄煤层大断面沿空留巷力学参数，为该矿复合顶板条件下薄煤层大断面沿空留巷力学参数的确定提供了理论依据。

复合顶板 薄煤层 大断面 沿空留巷 力学模型

沿空留巷就是工作面采煤后，沿采空区边缘维护原回采巷道,与留煤柱护巷相比，不仅可以减少区段煤柱损失，还可以减少大量巷道掘进工程量。沿空留巷的成功是煤矿开采技术领域的一项重大技术进步[1]。山东东山军城能源开发有限公司军城煤矿31203工作面为复合顶板薄煤层综采工作面，主采12下煤，为较稳定煤层，均厚1.2 m，倾角0°～16°，无结核，局部含一层夹矸，夹矸岩性为砂质泥岩，厚度0.05 m。煤岩层总体形态为一向西北倾伏的简单单斜构造，工作面地质构造较为复杂，以东有DF8断层，其中正断层6条，逆断层2条，落差大于1.5 m的有3条，其中4#断层落差为6 m。

1 沿空留巷围岩力学分析

1.1 力学模型的建立

以往建立的沿空留巷围岩控制模型在研究支护—围岩相互作用关系时，一般只考虑巷旁支护与顶板岩层，忽视了巷帮煤体支承对巷道稳定的重要性，并且在大结构形成及其稳定性影响方面考虑不够。根据基础理论研究和现场实测，结合国内外各矿井采用的沿空留巷，建立沿空留巷巷旁充填围岩结构力学模型[2]，如图1所示。

图1 沿空留巷力学结构示意

1.2 巷旁支护阻力计算

由沿空留巷力学模型可知，要以顶板岩梁的断裂下沉来计算巷旁支护阻力。如图2所示，考虑巷旁充填体作用的顶板载荷悬臂梁模型,在图2 (a)中取宽度为1单位的样条块段，通过理论计算沿空留巷巷旁支护阻力，所取的样条如图2 (b)所示[3]，力学模型求解如图2。

图2 沿空巷旁支护阻力计算模型

根据弹塑性力学中的力矩平衡法对图2中各段求解，设顶板均布载荷为q，从巷道上方直接顶岩层开始计算，考虑岩层的自重载荷和扰动系数k，其巷旁支护阻力F1为[4]：

+FN1(a+x0)-MA1-QxQ] ，

(1)

式中，MP1为岩层极限弯矩;FN1为岩层破断产生向下的剪力;MA1为岩层抗弯弯矩[5]。

简化后可得：

+FN1(a+x0)-QxQ] .

(2)

1.3 切顶力计算

将巷道沿空一侧的顶板看作是一悬臂梁，把顶板的作用力简化成为均布载荷，如图3所示。为了在巷道沿空侧有效切顶，切顶力PC必须满足以下力学条件：

图3 切顶力学模型

(3)

式中，P1为直接顶与基本顶处于连续接触时，基本顶对直接顶作用力qE=0.

顶板的极限抗拉强度为：

(4)

式中，q为等效顶板载荷集度;mz为有效抗弯厚度值;[σt]z为实际抗拉强度;qE为基本顶对直接顶施加的荷载[7]。

由式4可得：

(5)

代入数据，得沿空切顶线单位宽度所需支护切顶力为

PC=max{P1,P2}=max{104.53,291}=291 kN/m.

1.4 最大顶板下沉量计算

按老顶来压完成时计算顶板下沉量，留巷顶板侧向结构如图4所示。

图4 沿空留巷力学模型

基本顶来压完成时，导致沿空侧LK处的最大顶板下沉量△h为[8]

(6)

根据现场实际情况及模拟结果分析，基本顶断裂线超前煤壁约2 m，即x0=2 m，将巷道宽度La=3.4 m、高度h=3.2 m、KA=1.3、mz=2.01 m、LEZ=35.0 m代入式(5)，计算得Δh=0.4 m.

2 模型建立

2.1 模型尺寸与边界条件

把煤层倾向设为正x方向；煤层走向设为正y方向；以铅直向上为正z方向。按照本坐标系规定，计算模型沿x轴方向的长度为180 m，工作面长度110 m；y方向的长度约150 m，沿z轴方向的高度 50 m。

边界条件：顶面为应力和位移自由边界，向下施加垂直应力；底面为x、y、z全约束，4个侧面则为法向约束，x-z平面模型示意如图5所示。

图5 计算模型示意(x-z平面)

2.2 模型建立与网格划分

划分网格时，应充分考虑计算结果的准确性，根据研究需要，将模型中沿空留巷围岩部分网格划分尺寸小一点，剩余部分可适当加大尺寸，以减少计算量，加快程序运行。模型中的结构单元类型选取为8节点六面体单元，单元总数为58 000个，节点总数为59 586个。建立的三维计算模型如图6所示。

图6 数值计算模型

2.3 数值模拟参数选取

该矿煤岩体力学参数见表1。

表1 煤岩体力学参数表

2.4 计算过程与模拟方案

计算模型采用理想弹塑性本构模型，材料服从摩尔-库伦准则。模拟过程为：模型在自重荷载条件下达到原岩应力平衡→巷道开挖和支护→工作面推进巷旁充填→设置测点，检测应力、位移等参数→工作面推进150 m，分30次连续推进，每次推进5 m。

2.5 模型结果分析

工作面未开挖时、开挖20 m时、开挖60 m时围岩塑性区如图7。

由图7可以看出，沿空留巷期间巷道围岩变形具有如下特点：围岩未受扰动时两帮的围岩已经产生部分塑性变形；向前推进10 m后，巷旁矸石充填部分围岩变形较为严重，工作面推过10～40 m，围岩应力状态变化较大，两帮开始出现明显的变形，且变形速度加快，工作面推过40 m后，巷道进入相对稳定的阶段，两帮变形速度降低；工作面推到一定距离以后，煤体仍有微小变形，但整体影响不大。

3 结 论

(1)通过弹塑性力学基础理论研究，建立了沿空留巷力学模型，分析了巷旁支护力、切顶力、顶板下沉量等力学参数，研究了沿空留巷巷道围岩变形与破坏规律，为军城矿薄煤层大断面留巷工作提供理论基础。

图7 工作面不同开挖长度围岩塑性区

(2)从留巷顶板受力从采动覆岩侧向支承压力分布及工作面顶板运动规律入手，以“岩梁运动为中心”的矿压内外应力场理论，分析了沿空留巷围岩应力分布及顶板运动规律，并对顶板下沉量做了预测。

(3)通过数值模拟分析，应用有限元程序(FLAC)来模拟巷旁充填矸石带和不同巷旁充填矸石带宽度对沿空留巷顶板压力影响及变化情况，为沿空留巷参数的确定提供了理论依据。

[1] 刘崇凌.薄煤层膏体巷旁充填沿空留巷技术研究与应用 [D].青岛:山东科技大学,2010.

[2] 李 洪,马全礼.复合顶板运动规律及控制[J].矿山压力与顶板管理，2004(1): 5-8.

[3] 贾广辉.对复合顶板的认识及综合防治措施 [J]. 山东煤炭科技，1998(2):25-26.

[4] 刘晓伟,樊文吉.复合顶板的有效控制[J].煤炭技术，2002(6)：52,53.

[5] 谭云亮.矿山压力与岩层控制[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[6] 徐永圻.煤矿开采学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.

[7] 孙恒虎.沿空留巷的理论与实践 [M]. 北京:煤炭工业出版社,1993.

[8] 李化敏.沿空留巷顶板岩层控制设计[J].岩石力学与工程学报，2000，19(5):651-654.

Researchonthe Mechanical Parameters of Gob-side Entry Retainingunder the Condition of Composite Roof

Yan Bingchao1Han Chun2Zhang Guiyin2Xu Ninghui2Sun Lu2

(1.Shandong Province Metallurgical Engineering Co.,Ltd.;2.School of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology)

Taking the 31203 full-mechanized working face under composite roof with thin coal seam in the military city coal mine as the engineering background, the mechanical model of surrounding rockabout gob-side entryretaining is established and parameters of the support resistance, cutting off resistance and roof convergence are calculated based on adopting the technology of roadway refused protection coal pillar.Besides that, the mechanical parameters of gob-side entry retaining under the condition of composite roof are researched based on the numerical simulation software FLAC3Dso as to provide theoretical basis for determining the mechanical parameters of gob-side entry retaining under the condition of composite roof with thin seam and large section.

CompositeRoof, Thin seam, Large section, Gob-side entry retaining, Mechanical model

2014-11-10)

颜秉超(1983—)，男，工程师，250101 山东省济南市。