厚煤層采區(qū)巷道與工作面終采線合理間距的研究

賈雙春

(1.中國礦業(yè)大學 (北京)資源與安全工程學院,北京100083;2.山西潞安環(huán)能股份公司王莊煤礦,山西長治046031)

在大多數煤礦的采區(qū)布置中,采區(qū)的準備巷道均布置在煤層中。因此,回采工作面終采線的合理確定,直接影響工作面的搬遷、煤炭資源采出率,以及工作面采區(qū)及周邊巷道的安全維護。[1-3]分析上述原因可知,兩側工作面終采線位置是影響巷道變形的關鍵因素。因此,有必要對煤層大巷兩側的工作面終采線位置進行深入的研究。[4]

傳統(tǒng)的工作面設計中,綜放開采停采線位置,一般根據上 (下)山煤柱的尺寸,在設計時就已確定[5],將工作面終采線位置與采區(qū)巷道之間的距離定為固定值,以此固定值來確定回采工作面的終采線。在實際的煤礦生產中,均按此終采線作為工作面結采的依據[6]。但是這種終采線位置的確定方法,主要是依據的傳統(tǒng)經驗,沒有充分考慮煤礦生產過程中的采動影響等因素。因此,確定合理的終采線位置,對于提高煤層巷道的穩(wěn)定性具有重要的理論意義和工程使用價值。

1 工程概況及數值計算模型

1.1 工程概況

王莊礦區(qū)5218工作面北面是王莊煤礦的邊界,南面是5212已采工作面,東接52采區(qū)皮帶巷、52采區(qū)軌道巷和52采區(qū)專用回風巷,西接西回轅村莊煤礦。本工作面運巷可采長度為948m,風巷可采長度為948m,工作面切眼長度為241m。該工作面主采下二疊系山西組3#煤層,為陸相湖泊型沉積,煤層厚度穩(wěn)定,煤層厚度為7.14m,容重

1.2 計算模型及力學參數

FLAC程序可以模擬彈性模型、摩爾-庫倫準則、應變強化和應變軟化模型等6種材料。本文主要采用數值模擬軟件FLAC2D對王莊煤礦52采區(qū)的采動情況進行數值模擬,以判斷工作面的采動對煤層巷道穩(wěn)定性的影響,并最終選擇合理的終采線位置。由于工作面推進長度范圍較大,整個工作面在環(huán)向方向的變形相對很小,為了簡化計算,應用平面應變模型假設,即垂直于計算剖面方向的變形為零。

在模擬過程中,取模型寬度為750m,高度為354.67m,從地面標高+634m一直模擬到地表+987.67m。模型共有130606個平面單元,單元的網格尺寸平均為2m×2m,局部為1m×0.5m及0.5m×0.5m。模型兩側限制水平方向移動,模型底部限制垂直方向的移動,故建立如圖1所示的計算模型。

圖1 工作面計算模型

由于煤體材料的黏聚力c對于煤炭材料的強度影響很大[7]。因此,在進行數值模擬計算過程中,巖體采用理想彈塑性本構模型-摩爾-庫倫 (Mohr-Coulomb)屈服準則,煤體采用應變軟化模型進行模擬計算。[8]根據現場地質調查和相關的試驗研究提供的巖石力學試驗結果,以及巖體力學參數具有較大的離散型等特點。因此,在數值計算中所采用的巖土體的物理力學參數見表1。

表1 巖土體力學參數取值表

2 數值計算結果分析

2.1 應力分析

2.1.1 圍巖最大主應力場分析

表2對工作面前端煤柱的最大主應力峰值進行了統(tǒng)計,從表中可以看出,當工作面推進到430m(距離采區(qū)回風大巷70m)時,工作面前端煤柱的承載能力逐漸增加且達到峰值,說明煤柱的承載能力良好。但是,當工作面繼續(xù)推進到436m(距離采區(qū)回風大巷64m)時,煤柱的最大主應力峰值逐漸降低,這說明煤柱逐漸失穩(wěn),三條大巷的穩(wěn)定性存在隱患。工作面前端煤柱的最大主應力峰值曲線,如圖2所示。2.1.2 煤柱應力場分析

表2 工作面前端煤柱的最大主應力峰值統(tǒng)計表

圖2 工作面前端煤柱最大主應力峰值曲線

圖3、圖4分別給出了隨著工作面的不斷向前推進,工作面前端煤柱的垂直應力 (SYY)和水平應力 (SXX)的分布曲線。從曲線圖中可以看出,在工作面的不斷向前推進過程中,工作面兩端始終存在著應力集中現象,同時煤柱內的應力峰值總是出現在靠近工作面的一側。

圖5、圖6分別給出了工作面前端煤柱內的應力峰值與工作面推進長度的關系曲線圖。從圖中可以看出,隨著工作面的不斷向前推進,在工作面推進到370m以前,煤柱內的應力增長比較緩慢,而當工作面推進到430m以后,工作面前端煤柱的應力急劇增加;當工作面推進到436m以后,工作面前端煤柱的應力集中系數減小,煤柱的承載能力減弱。

通過對5218工作面終采線與回風大巷之間煤柱的應力分析可以得知,52采區(qū)5218工作面終采線與回風大巷之間的安全距離要大于64m,煤柱才能起到很好的保護作用。

2.2 巷道破壞場分析

圖7、圖8和圖9分別給出了工作面不同推進長度下圍巖的破壞場分布已經巷道的破壞場分布。從圖中可以看出,隨著工作面的不斷向前推進,圍巖的破壞場范圍逐漸增加。當工作面推進到250m時,工作面開采所引起的擾動逐漸擴散到上部覆巖;當工作面繼續(xù)推進到430m時,工作面上部覆巖的破壞范圍進一步擴大,與地表巖層的破壞相連通,出現大范圍的破壞;當工作面繼續(xù)推進到450m時,工作面前端煤柱的破壞范圍與巷道圍巖的破壞連通,將對巷道的穩(wěn)定性產生極大的破壞。

根據以上對煤柱破壞場的分析,確定5218工作面終采線位置與回風大巷之間的距離要大于50m,此時的煤柱尚具有一定的承載能力,對三條大巷具有一定的保護作用。

2.3 巷道位移場分析

煤層三條大巷的穩(wěn)定性,可以通過巷道產生的位移量進一步說明。通過比較巷道頂、底板以及巷道兩幫的位移方向 (見圖10、圖11)可以看出:隨著工作面的不斷向前推進,巷道的位移方向由向左下為主逐漸轉變?yōu)橄蛴蚁聻橹?位移方向的變化使得巷道的穩(wěn)定性進一步下降。

圖3 工作面前端煤柱水平應力曲線

圖4 工作面前端煤柱水平應力曲線

圖5 工作面前端煤柱水平應力峰值圖

圖6 工作面前端煤柱垂直應力峰值圖

圖7 工作面推進250m圍巖破壞場分布圖

圖8 工作面推進430m圍巖破壞場分布圖

圖9 工作面推進450m圍巖破壞場分布圖

圖10 工作面推進370m巷道位移矢量方向

圖11 工作面推進450m巷道位移矢量方向

隨著工作面的不斷向前推進,各巷道所產生的位移量逐漸增加,特別是當工作面推進至416m以后,巷道的位移矢量方向發(fā)生了逆轉,這將對巷道的穩(wěn)定性產生重大的影響。而在工作面推進至450m時,巷道的位移量產生了突變,這說明巷道將徹底地失穩(wěn),回風巷道的位移量見表3。

綜上對巷道的位移場分布可知,當5218工作面的終采線與回風大巷之間的距離為50m時,回風大巷的位移量急劇增加,逐漸表現出失穩(wěn)的特征。因此,當5218工作面的終采線位置與回風大巷的距離大于50m時,就可以保證三條大巷的穩(wěn)定。

表3 回風大巷的位移量統(tǒng)計表

3 結論

通過對采區(qū)大巷兩側工作面回采影響的分析,可以得到以下結論:

1)工作面在推進過程中,三條巷道的變形速度加快,使得巷道的位移量明顯加大。

2)巷道各項位移量主要以水平位移位置,且在工作面不斷向前推進的過程中,巷道位移的矢量方向發(fā)生了大的逆轉。

3)綜合考慮巷道圍巖應力的變化以及三條大巷的位移變化情況,在工作面推進過程中,要及時對三條大巷進行二次支護。同時,5218工作面的終采線位置與采區(qū)回風大巷之間的距離,應保持在70～80m左右。定 [J].煤炭科學技術,2008,36(6):36-38.

[2] 査文華,謝廣祥,華心祝,等.綜放采場走向壓力分布規(guī)律及終采線位置確定 [J].煤炭科學技術,2007,35(4):12-15.

[3] 劉保寬,吳吉南,朱建明,等.安家?guī)X二號井B402工作面終采線位置合理確定 [J].煤炭科學技術,2008,36(12):12-18.

[4] 張向陽,涂敏,徐乃忠.動壓下底板大巷圍巖應力分析及合理終采線研究 [J].采礦技術,2006,6(3):311-314.

[5] 曹勝根,劉長友,韓強,等.綜放面合理終采線位置的確定 [J].礦山壓力與頂板管理,1998(4):59-61.

[6] 李洪武,李晉平,李海忠.合理動態(tài)終采線位置的確定[J].煤,1994,3(2):17-18.

[7] 朱建明,彭新坡,姚仰平,等.SMP準則在計算煤柱極限強度中的應用 [J].巖土力學,2010,31(7):2987-2991.

[8] 馮錦艷,朱建明.露天-井工聯采邊坡井工與邊坡合理位置的數值模擬研究 [J].中國礦業(yè),2008,17(10):86-89.