黃賢鋒

（山東兗礦設(shè)計咨詢有限公司，山東 鄒城 273500）

1 工程概況

趙各莊煤礦3137工作面為大采深、向斜構(gòu)造分布形態(tài)，工作面主采12號煤，煤層厚度為8.5～11.2 m，平均厚9.7 m，屬特厚煤層。煤層傾角9°～32°，平均傾角為20°，屬傾斜煤層。因受礦井寬緩向斜影響，煤層走向變化大，煤層結(jié)構(gòu)簡單，硬度系數(shù)為1.54。工作面布置如圖1所示。

圖1 趙各莊煤礦3137工作面布置圖

3137工作面老頂為粉砂巖，厚度為2.1～4.6 m，顏色呈深灰色，抗壓強度較大，平均可達51.3 MPa；直接頂為泥質(zhì)黏土巖，厚度為0.49～2.67 m，呈黑色，半腐化狀態(tài)，抗壓強度達53.9 MPa；直接底為灰色粉砂巖，抗壓強度75.8 MPa，含有少量的黃鐵礦凝結(jié)核，煤層層位關(guān)系和具體巖性如圖2所示，頂?shù)装迩闆r如表1所示。

圖2 煤層柱狀圖

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 數(shù)值模擬

以3137工作面實際工程地質(zhì)情況為原型，采用FLAC、RFPA數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模擬計算模型。將模型視為二維問題來建立平面應(yīng)變力學(xué)模型。在計算模型的過程中，對模型兩側(cè)施加水平方向的位移約束，限制其水平位移；底邊則限制垂直及水平兩個方向的位移。巖石力學(xué)參數(shù)假定符合Weibull分布，巖石破裂采用庫侖—摩爾強度準(zhǔn)則判斷。巖層相變準(zhǔn)則參數(shù)詳見表2。

表2 相變準(zhǔn)則控制參數(shù)

2.1 巷道支護數(shù)值模擬

2.1.1 模型設(shè)計

進行FLAC模擬時，計算模型設(shè)計為長40 m、高30 m的長方形，水平方向和垂直方向分別為80和60個單元；進行RFPA模擬時，計算模型設(shè)計為長30 m、高60 m的長方形，水平方向和垂直方向分別有60和120個單元，每個單元均代表實際煤巖層數(shù)值為0.5 m。支護方式詳見圖3。

圖3 支護方式示意圖

2.1.2 計算結(jié)果

2.1.2 .1 FLAC模擬計算結(jié)果

在錨索支護情況下，F(xiàn)LAC模擬計算結(jié)果如圖4—圖7所示。

圖4 巷道垂直應(yīng)力（Pa）等高線圖

圖7 巷道頂板下緣垂直位移圖

由圖4、圖5可知，在錨索支護情況下的巷道頂板垂直應(yīng)力符合一般巷道垂直應(yīng)力的分布規(guī)律，并沒出現(xiàn)異常。

圖5 巷道頂板下緣垂直應(yīng)力圖

由圖6、圖7可知，頂板下沉以巷道中心線為軸對稱。在錨索支護情況下，通過觀察巷道垂直位移可看出，巷道外的下沉逐漸趨近于零，從5 m到巷道中心下沉量逐漸增大，但峰值很小。

圖6 巷道垂直位移（m）等高線圖

結(jié)合錨索支護特點分析可知：因為錨索的長度為7～8 m，所以錨索能夠穿過軟巖區(qū)而打到堅硬巖層中，在錨索的懸吊作用和橫梁的托舉作用下，使得軟巖頂板和上方的堅硬巖層連為一體。由于主要受力對象是軟巖上方的堅硬巖層，保證了上部巖層的穩(wěn)定性，所以頂板在錨索支護下消除了下沉、斷裂及離層的威脅，可以繼續(xù)使用該支護。

2.1.2 .2 RFPA模擬計算結(jié)果

在錨索支護情況下，RFPA模擬計算結(jié)果如圖8所示。

由圖8中的聲發(fā)射圖可看出，聲發(fā)射現(xiàn)象主要集中在巷道兩側(cè)，說明該處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，而對巷道頂板下沉和破壞程度較??；另從主應(yīng)力圖也可看出，聲發(fā)射在巷道上方頂板局部產(chǎn)生，集中度和大小都較小。

圖8 聯(lián)合支護情況下的巷道主應(yīng)力圖（左圖）和聲發(fā)射圖（右圖）

綜上分析，在錨索支護條件下，頂板的下沉、斷裂離層已經(jīng)得到了很好的控制，巷道可以正常使用。

2.2 不規(guī)則煤柱的爆破卸壓數(shù)值模擬

對切眼順槽附近采空側(cè)不規(guī)則煤柱進行爆破卸壓數(shù)值模擬，模型計算簡化如圖9所示，模擬計算結(jié)果如圖10所示。

圖9 采空區(qū)側(cè)煤柱卸壓爆破后模型計算簡化圖

圖10 采空區(qū)側(cè)煤柱卸壓爆破后煤體的主應(yīng)力圖（左圖）及聲發(fā)射圖（右圖）

由圖10可知，隨著加載步數(shù)的增加，聲發(fā)射圖應(yīng)力集中現(xiàn)象由巷道邊緣逐步向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是，左側(cè)采空區(qū)煤柱卸壓爆破后，煤體酥軟，煤柱上覆彈性能及應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效釋放，無處釋放的變形能只能向?qū)嶓w煤采空區(qū)方向轉(zhuǎn)移。由于采空區(qū)承擔(dān)了上覆巖層的大部分壓力，從而使應(yīng)力貫通的整個煤柱得到解放，保證了巷道的穩(wěn)定性，避免了煤體突出的危險。煤體的垂直應(yīng)力曲線如圖11所示。

由圖11可知，距離巷道10 m范圍內(nèi)煤體的垂直應(yīng)力較小，應(yīng)力峰值主要集中在距離巷幫約15 m位置，再次印證了煤體爆破卸壓后，應(yīng)力逐步向煤體深部轉(zhuǎn)移，最終轉(zhuǎn)移到采空區(qū)內(nèi)部，有效降低了巷道煤柱一側(cè)煤體的突出危險性，對巷道起到了卸壓作用。

圖11 煤體的垂直應(yīng)力曲線

2.3 開掘卸壓巷的數(shù)值模擬

對順槽位置采用上部巷道開掘卸壓巷解壓下部巷道的方式進行應(yīng)力釋放的數(shù)值模擬，模型計算簡化圖如圖12所示，模擬計算結(jié)果如圖13所示。

圖12 開掘卸壓巷后模型計算簡化圖

圖13 開掘卸壓巷后煤體的主應(yīng)力圖（左圖）及聲發(fā)射圖（右圖）

由圖13可知，在上部巷道附近人為制造“缺陷體”作用下[3]，聲發(fā)射現(xiàn)象主要集中在缺陷體附近，由此說明在卸壓巷道煤幫位置，巷道之間煤柱上部的彈性能得到了有效釋放，從而保護了下部巷道的安全。同時也間接說明，工作面順槽采用小煤柱（3～5 m）沿空掘巷比采用大煤柱（20～25 m）更有利于工作面防沖。由聲發(fā)射圖可知，破碎的缺陷體對上覆巖層壓力的傳遞起到了一定的阻止作用（實際上，壓力并沒有實現(xiàn)真正意義上的被阻止，而是由破碎的導(dǎo)硐體吸收了），下部巷道幾乎沒有應(yīng)力集中和能量積聚現(xiàn)象發(fā)生，圍巖體也沒有出現(xiàn)大的變形和破壞，進一步證明了開掘卸壓巷道確實能起到有效防止沖擊危險的效果。

3 結(jié)論

1）在錨索支護條件下，頂板的下沉、斷裂離層已經(jīng)得到了很好的控制，巷道可正常使用。

2）采用爆破卸壓技術(shù)后，有效降低了巷道煤柱一側(cè)煤體的突出危險性，對巷道起到了卸壓作用。

3）開掘卸壓巷形成缺陷體能起到有效防止沖擊危險的效果。