复采工作面过空巷群围岩稳定性的数值模拟研究

杜凯 牛海萍

【摘 要】 煤炭是不可再生的化石能源，提高煤炭资源的回收率是节约能源的重要体现，因此，残留煤炭资源的复采工艺被提上了研究日程。而复采工作面过空巷或者空巷群是其中常见的问题。本文在已有复采工作面研究基础上，结合实际工程情况，通过模拟围岩塑形区分布对复采工作面过空巷群过程中围岩稳定性进行了研究。研究结果表明，工作面空巷上覆围岩破坏机理及稳定性与空巷是否充填有关;工作面过空巷群时，对空巷充填比不充填对复采工作面上覆围岩稳定性更好。

【关键词】 复采工作面;围岩稳定性;过空巷群;数值模拟研究

【中图分类号】 TD325 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）06-0016-03

近年来，随着我国开始提倡节约能源，提高煤炭资源利用率，国内专家开始研究开采后残留的煤炭资源复采工艺。煤柱回收区空巷的存在会对煤柱回收及边角煤回收工作面的回采造成很大影响。空巷的存在对残留煤炭资源的复采会造成很大的影响，是需要首先解决的问题。出现空巷的主要原因有：原煤矿或小窑回采后留下的各种巷道、矿井为开采安全开挖的各种探巷、原矿井为回采、通风安全的各种联络巷、瓦斯抽放巷等等。在回收工作面开采前，调查清楚空巷的断面尺寸、方位、层位、冒落程度等赋存情况是煤柱回收工作面安全回采的前提。在复采工作面回采之前，摸清存在的空巷基本情况、目前破坏状况、有无瓦斯或水积聚等，是残煤复采工作面安全回采的前提。刘大鹏、唐海波、赵阳升针对房柱式开采残煤复采顶底板应力分布规律进行了数值模拟研究，郝端云、弓培林等对残采工作面过空区进行了相似模拟研究，路鑫、石磊等就残煤复采工作面围岩稳定性进行了研究，目前大部分学者仅是对残煤复采工艺进行了研究，而实际中残煤复采大部分要过空巷或者空巷群，对复采工作面过空巷或者空巷群时，空巷充填或者不充填时复采工作面上覆围岩稳定性的对比研究很少。

本文基于石窟煤业布置回收工作面时发现的空巷，通过对揭露的空巷现场调研及分析，发现空巷多数支护良好，空巷内基本无积水、积气情况。为此作者采用数值模拟技术，以石窟煤业為背景，建立地层模型及液压支架模型，对工作面前方平行空巷采取充填及不充填的处理方式进行分析，以期对石窟煤业3号煤层复采过空巷提供依据。

1空巷群基本顶力学模型

1.1空巷顶板破断特征

空巷顶板的破坏主要是由于巷道直接顶岩层的厚度不同、强度不一致，这与钱鸣高院士提出的关键层和砌体梁理论相吻合。这些岩层活动起主要的控制作用，即关键层。

1.2空巷基本顶力学模型

关键层的稳定性主要由采空区的充填密实程度和老顶破坏的影响程度决定，复采工作面回采时，关键层岩块之间的相互约束不会有较大变化。根据空巷基本顶破断特征及简化，建立空巷上方基本顶结构力学模型如图1。

该理论认为：关键层的破坏分为回转失稳和滑落失稳，其中回转失稳是因为关键层岩块接触面或接触点之间受应力集中影响进入塑性状态，致使岩块发生回转失稳;滑落失稳是因为接触面之间的摩擦力小于岩块之间的剪切力，造成岩块滑落失稳。

2数值模拟研究概况

2.1数值模型建立

石窟煤业30106残煤复采工作面在推进过程中会遇到许多各种原因遗留下的空巷，这些空巷的存在改变了煤层赋存结构和采场围岩状态。为此本文采用数值模拟技术，对工作面前方平行空巷采取充填及不充填的处理方式进行分析。

本次采用美国Itasca公司开发的FLAC3D软件进行模拟。

根据石窟煤业具体地质条件和计算区域情况，选取长×宽×高=250 m×220 m×70 m 的计算范围，各岩层按计算范围附近钻孔柱状图的岩性和厚度选取。岩层本构关系选用Mohr-Coulomb准则计算，支架本构关系选用线弹性准则计算。模型底部固定铰支约束，四个侧面按水平链杆约束，上部无约束。单元按照近小远大、分部离散的原则划分，然后进行组合。建立的地层模型如图2所示。

2.2模型开挖

工作面开挖的起始位置为切眼，按照每次推进2m开挖，然后顺次进行移架、放顶煤、充填采空区并保存结果。工作面长度 180m，采 2.2m，放 4.15m，采放比1∶1.89。工作面依次推进 25m、75m、120m（推至空巷处），开挖过程如图3所示。

3模拟结果及分析

由于石窟煤业30106复采工作面前方空巷距离工作面切眼较远，空巷对工作面顶板初次破断影响较小，因此模拟工作面推进120m。但当工作面距离空巷较远时矿压显现规律与实体煤无异，所以只对工作面距离空巷30m以后的回采过程进行分析，因此出图截面位置均位于此处。

3.1不充填空巷回采模拟结果及分析

30106复采工作面回采过程中，围岩塑性区分布分别如图4到图6所示。

图 4 为复采工作面距空巷 30 m 时采场和空巷围岩塑性区分布图。此时支架上方顶煤和直接顶中的岩体均发生了剪切拉伸破坏，破坏深度达到直接顶。同时空巷两侧 2m 范围内的围岩发生了塑性破坏且空巷上方的顶煤和直接顶也均发生了塑性破坏。

图 5为复采工作面距空巷 12m 时采场和空巷围岩塑性区分布图，此时空巷附近围岩塑性破坏及支架上方顶煤和直接顶中的岩体剪切拉伸破坏的范围相比于 30m 时的范围有所扩大。同样实体煤中采场后方的塑性区分布范围也发生了一定的扩展。

图6为复采工作面距空巷4m时采场和空巷围岩塑性区分布图，此时空巷附近围岩塑性破坏及支架上方顶煤和直接顶中的岩体剪切拉伸破坏的范围相比于12m时的范围继续扩大。

3.2充填空巷回采模拟结果及分析

30106工作面采动分析：充填空巷回采时与上述开挖过程基本一致。在回采前对空巷进行回填，充填材料采用莫尔-库伦本构模型进行分析，充填体强度按围岩强度70%选取，30106复采工作面回采过程中，围岩塑性区分布分别如图7到图9所示。

图7为复采工作面距空巷30 m时采场和空巷围岩塑性区分布图，此时支架上方顶煤和直接顶中的岩体均发生了剪切拉伸破坏，破坏深度达到直接顶。同时空巷两侧 2 m 范围内的围岩发生了塑性破坏且空巷上方的顶煤和直接顶也均发生了塑性破坏。

图 8为复采工作面距空巷 12m 时采场和空巷围岩塑性区分布图，此时空巷附近围岩塑性破坏及支架上方顶煤和直接顶中的岩体剪切拉伸破坏的范围均较 30m 时的范围有所扩大。同样实体煤中采场后方的塑性区分布范围也继续扩展。

圖9为复采工作面距空巷4m时采场和空巷围岩塑性区分布图，由图可知，此时空巷附近围岩塑性破坏及支架上方顶煤和直接顶中的岩体剪切拉伸破坏的范围相比于12m 时的范围继续扩大。

4结论

随着工作面的回采进程，围岩应力叠加，临近空巷的煤柱破坏范围随着工作面的不断推进开始逐步扩大，直至整个煤柱发生塑性破坏;空巷深部围岩的塑性破坏范围可以延深至实体煤体10m左右，顶底板围岩的破坏范围均有不同程度的扩展。

随着工作面的不断推进，此时空巷附近围岩塑性破坏及支架上方顶煤和直接顶中的岩体剪切拉伸破坏的范围均逐渐扩大。同样实体煤中采场后方的塑性区分布范围也继续扩展。但支架上方塑性破坏基本维持在顶煤及直接顶处，并未发生超前破断，由此可知充填空巷可以有效解决复采工作面过空巷超前破断问题。

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