综采工作面过空巷围岩应力及控制研究

康凯

摘 要：针对综采面过空巷矿压显现的问题，以马兰矿为研究背景，利用数值模拟软件对综采面过空巷围岩应力及塑性区进行分析，得出空巷煤柱的最合理宽度为20m，且对煤柱宽度20m时，不同充填体强度下围岩应力进行了研究，发现充填体强度选择4MPa时，工作面可以实现快速且安全过空巷。为工作面过空巷提供一定的借鉴。

关键词：综采工作面;空巷;围岩应力;数值模拟

1 前言

综采工作面过空巷一直困扰着矿山开采，一方面在工作面过空巷的过程中，距离空巷越近，基本顶的折断越容易发生，从而造成巷道顶板的下沉，导致矿压显现。另一方面在工作面和空巷进行贯通时，巷道会出现冒顶事故，造成压垮支架的事故。所以对工作面过空巷围岩的稳定性进行研究是十分有必要的。此前，黄衡为了解决工作面过空巷矿压显现的问题，通过结合矿山地质情况提出顶板支护技术，后期施工验证了支护技术的可行性，保证了矿压的平稳。于军杰等利用数值模拟软件对工作面过空巷围岩的稳定性进行研究，研究表明采用密集支柱、超高水材料充填及锚网索支护可以有效的降低围岩应力，保证矿山的稳定性。徐青云等针对过空巷时冒顶，易造成压架的事故等问题，通过建立空巷力学模型面对空巷顶板稳定机理进行研究，并利用数值模拟软件对工作面过空巷所需的支护阻力进行模拟，保证了矿山的正常生产。尹超宇等对工作面过空巷围岩的失稳进行研究，通过弹性薄板理论对基本顶断裂形式进行分析，并利用数值模拟对工作面过空巷基本顶的塑性变形进行分析，为治理围岩变形提供依据。本文利用FLAC-3D对工作面过空巷围岩的运移规律及塑性区变化进行分析，为工作面过空巷技术提供借鉴。

2 围岩应力及塑性区分布研究

根据马兰矿的地质条件可知，马兰矿煤层直接顶、基本顶及老顶等均是由厚度不一的岩层组成，模型长宽高的建立尺寸分别为120m、120m和62.8m。模型采用摩尔库伦准则，对模型岩石的力学参数进行设置，根据实际地质可知，煤层的厚度为4.7m，基本顶厚度为19.82m、直接顶为3.85m。巷道围岩的变形主要是由于应力加载产生的，空巷的围岩变形主要是煤柱变形及顶底板及两帮变形，以此来达到煤柱的最合理寬度。首先为了对比不同个煤柱宽度下垂直应力的分布规律，本文对煤柱宽度20m、10m及5m进行分析。计算模型的垂直应力分布图如1所示。

从不同煤柱下空巷的垂直应力分布图可以看出，煤柱的尺寸从20m降低至5m的过程中，空巷的右帮应力较为稳定。由于工作面的超前开挖超前支撑压力使得在工作面前端的煤柱处于应力的增高状态，当空巷的煤柱的宽度大于20m时，此时巷道的垂直应力分布较为稳定，当巷道煤柱宽度10m时，此时的巷帮出现应力集中，应力集中位置为巷道的左帮，但应力集中的程度较低，当煤柱宽度降低至5m时，此时的应力集中程度增加，应力集中向着空巷开始转移。所以当煤柱宽度大于20m时，此时可以看做为超前支撑压力影响较弱区域，当煤柱宽度降低至10m时，此时可以看做为超前支撑压力影响一般区域，当煤柱宽度大于5m时，此时将其看做为超前支撑压力影响较大区域。

同时对煤柱塑性区的分布情况进行分析，煤柱塑性区可以有效的分析出煤柱处于弹塑性区域的范围。当煤柱处于塑性区时，此时可将煤柱视为煤柱处于压垮状态，煤柱仅存在一定的残余强度，随着煤柱弹性区尺寸进一步减小，煤柱发生最终的失稳变形，发生安全事故。煤柱宽度20m、10m及5m的塑性分布图如2所示。

可以看出，当煤柱宽度为20m时，此时的煤柱中间部位出现弹塑性区共存区，在空巷两帮的围岩塑性区无明显的变化，空巷的上端岩层无明显的塑性变化。当煤柱的宽度减小至10m时，此时的煤柱的弹性区范围明显减小，煤柱几乎完全由塑性区组成，煤柱上端部的岩层也在逐步向着塑性转化，随着煤柱宽度降低至5m，此时的煤柱完全丧失承载性，煤柱上端部岩层完全向着塑性区变化，此时的煤柱明显低于临界宽度，基本顶出现超前的断裂。

根据对模拟过程中空巷顶板和煤柱的变形进行统计记录，当煤柱宽度为20m时，空巷的顶板下沉量最小为61mm，当煤柱的宽度降低至10m时，此时的顶板下沉量增大至173.7mm，当煤柱的宽度降低至5m时，此时的顶板下沉量最大为774.5mm。当煤柱宽度为20m时，空巷的煤柱两帮移近量最小为36.3mm，当煤柱的宽度降低至10m时，此时煤柱两帮移近量增大至105.3mm，当煤柱的宽度降低至5m时，此时煤柱两帮移近量最大为556.5mm。

3 空巷围岩控制研究

为了降低工作面过空巷造成的围岩变形问题，选择充填体来提升围岩强度，仅选择煤柱宽度为20m时进行分析，充填体强度选择为2MPa、4MPa和6MPa。充填后垂直应力分布如图3所示。

从图3可以看出当煤柱宽度为20m时，随着充填体的强度不断增大，充填体受到的垂直应力逐步增加，煤柱受到的垂直应力逐渐减小，且随着充填体强度的增大，巷道上部岩层受到的载荷也在逐步降低，下降的趋势小于煤柱垂直应力下降的趋势。同时对比充填体强度4MPa和6MPa时的垂直应力发现，充填体周围岩体受到的垂直应力差距较小，所以充填体强度的极限值为4MPa，大于4MPa的提升效果较差。

4 结论

①通过对工作面过空巷围岩应力及变形进行数值模拟研究发现，煤柱的宽度大于20m时的，此时围岩变形及煤柱变形处于稳定状态;当煤柱宽度降低为10m时，此时巷道的围岩变形及煤壁变形处于较大影响状态，当煤柱宽度降低至5m时，此时的围岩变形及煤柱变形处于影响剧烈状态;②对空巷围岩塑性区进行分析发现，煤柱宽度越小，煤柱塑性区范围越大，煤柱的承载力逐步降低，且煤柱的临界安全宽度为10m;③根据对不同充填强度下空巷的围岩应力进行分析，发现当充填体强度小于4MPa时，围岩应力大于充填体受到的应力，当充填体强度大于围岩强度时，此时的围岩变形较小，且充填体强度4MPa较为合适。