朱 永,殷帥峰,李 昊
(1.安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 臨汾 042100;2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 065201)
傳統(tǒng)的長壁工作面采用的是“121”工法,即開采一個工作面,首先要掘進(jìn)兩條回采巷道以及留設(shè)一個護(hù)巷煤柱,但留設(shè)的煤柱造成了巨大的資源浪費(fèi)。同時深部開采帶來的高應(yīng)力環(huán)境等問題使巷道變形難以控制,嚴(yán)重制約深部煤炭資源的開發(fā)。而沿空留巷技術(shù)[1-6]不僅可以合理開發(fā)煤炭資源,避免使用煤柱從而提高煤炭資源采出率,還由于少掘進(jìn)一條巷道減少了工作面綜合機(jī)械化設(shè)備的搬運(yùn)和安裝時間,對于更好地推動恒源煤礦Ⅱ632綜采工作面回采作業(yè)的安全、高效開展意義重大。
關(guān)于沿空留巷技術(shù),國內(nèi)外專家都進(jìn)行了大量研究。蔚保寧[7]得出了淺埋煤層復(fù)合頂板條件下切頂卸壓末采貫通回撤新技術(shù)的相關(guān)工藝參數(shù)。研究成果在現(xiàn)場實(shí)踐工程中得到了驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了工作面的安全順利貫通。張樹林[8]提出相應(yīng)的淺埋煤層切頂卸壓控制方式,最后得出該技術(shù)合理可行,效果顯著,值得大范圍推廣應(yīng)用的結(jié)論。楊曉杰、孫躍等[9]提出了切頂卸壓自成巷技術(shù)在淺埋中厚煤層開采中的應(yīng)用,并取得了良好的效果。魏錦周[10]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明切頂成巷新技術(shù)在巷道圍巖控制方面得到了有效控制,切頂成巷碎石幫得到良好控制。以上專家學(xué)者豐富了煤層切頂卸壓技術(shù)的研究成果,本文則以恒源煤礦Ⅱ632綜采工作面為背景,利用數(shù)值模擬分析切頂卸壓對沿空留巷周圍圍巖的應(yīng)力影響,并研究不同切頂高度與角度下的應(yīng)力變化,從不同卸壓效果中得出最優(yōu)的切頂卸壓方案,為恒源煤礦Ⅱ632綜采工作面的切頂留巷工程提供理論支撐及技術(shù)指導(dǎo)。
Ⅱ632工作面東部(收作線外側(cè))為Ⅱ63采區(qū)的三條主要下山(軌道、運(yùn)輸、回風(fēng)),南部為-600水平南北軌道、運(yùn)輸大巷;西部切眼外距礦井邊界線300 m;北部為正在掘進(jìn)的Ⅱ633工作面。
Ⅱ632工作面設(shè)計為綜采工作面,總體上屬近走向長壁式布置,工作面走向長1725.3 m(至收作線處),傾斜寬185 m;Ⅱ632工作面煤厚1.7~3.5 m,平均2.9 m,煤層傾角2°~26°,平均9.1°,無夾矸,屬結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定的中厚煤層。
Ⅱ632機(jī)巷為沿空留巷巷道,巷道布置在6號煤層中,選擇機(jī)巷最后500 m進(jìn)行留巷試驗(yàn)。機(jī)巷設(shè)計斷面為異矩形,斷面凈寬4200 mm,凈高2800 mm,因留巷施工需要,對Ⅱ632機(jī)巷進(jìn)行刷幫,刷幫后Ⅱ632機(jī)巷凈寬變?yōu)?200 mm。工作面巷道布置及斷面如圖1所示。
圖1 Ⅱ632工作面巷道布置圖
在考慮實(shí)際工程條件及簡化計算的基礎(chǔ)上,針對恒源煤礦Ⅱ632機(jī)巷生產(chǎn)地質(zhì)條件,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11-12]的實(shí)例,應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立計算模型是可行的。本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb模型,模型尺寸長寬高為:200 m×350 m×85 m。模擬巷道開挖尺寸為5 m×300 m×3 m,工作面開挖尺寸為100 m×200 m×3 m;巷道埋深為700 m,沿煤層頂板掘進(jìn);煤層底板為厚1.0 m的泥巖,厚3.0 m的粉砂巖,厚9.0 m的細(xì)粒砂巖;煤層頂板由下往上依次為厚2.0 m的泥巖,厚1.6 m的細(xì)粒砂巖,厚4.3 m的泥巖,厚1.5 m的細(xì)粒砂巖等,具體模型巖層力學(xué)參數(shù)見表1,計算模型如圖2所示。
表1 模型巖層力學(xué)參數(shù)
為了分析切縫對卸壓效果的影響,根據(jù)工程實(shí)際需要,在距離工作面80 m位置使用FLAC3D建立計算模型,分別對無切縫和有切縫模型進(jìn)行數(shù)值計算,得出計算結(jié)果如圖3、圖4所示。
圖3 距工作面80 m時無切縫時垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖
圖4 距工作面80 m時有切縫時垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖
由圖3中的垂直應(yīng)力分布圖可知,在無切縫條件下,沿空留巷頂板范圍內(nèi)受到的垂直應(yīng)力在10~25 MPa之間,其較大的應(yīng)力容易導(dǎo)致頂板變形且不利于支護(hù);巷道實(shí)體煤幫5~6 m處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū),此時垂直應(yīng)力的最大值為47.1 MPa,易導(dǎo)致片幫。同時根據(jù)圖3的垂直位移分布圖可知,巷道頂板位移在采空區(qū)側(cè)位移約2000 mm,在實(shí)體煤側(cè)位移約1000 mm,此時較大的位移不利于巷道頂板的穩(wěn)定。
由圖4中的垂直應(yīng)力分布圖可知,在有切縫條件下,沿空留巷頂板范圍內(nèi)受到的垂直應(yīng)力在0.37~10 MPa之間,可以看出相對無切縫條件其垂直應(yīng)力顯著降低,出現(xiàn)的卸壓區(qū)有利于支護(hù);巷道實(shí)體煤幫10 m處才出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū),此時垂直應(yīng)力的最大值為40.2 MPa,相對無切縫條件應(yīng)力減小。同時根據(jù)圖4的垂直位移分布圖可知,巷道頂板位移在采空區(qū)側(cè)與實(shí)體煤側(cè)位移均約250 mm,此時較小的位移有利于巷道頂板的穩(wěn)定。
通過對比圖3和圖4可以得出如下結(jié)論:切頂卸壓沿空留巷技術(shù)可以有效的卸載巷道圍巖應(yīng)力。存在切縫時,巷道圍巖應(yīng)力傳遞的連續(xù)性被切斷,出現(xiàn)卸壓區(qū)。頂板位移減小,垂直應(yīng)力明顯降低。同時實(shí)體煤幫內(nèi)集中的應(yīng)力不僅遠(yuǎn)離煤幫而且下降。存在切縫時卸壓效果明顯。
切頂高度是指通過定向聚能爆破技術(shù)對煤層頂板實(shí)施定向切縫后,從巷道頂板平面到切縫向上發(fā)育的最大垂直距離。根據(jù)理論分析,切頂高度對于沿空留巷礦壓顯現(xiàn)具有較顯著的影響。為了研究切頂高度對卸壓效果的影響,根據(jù)工程實(shí)際需要,在距離工作面80 m位置運(yùn)用FLAC3D建立計算模型,分別模擬切頂高度為6 m、8 m、10 m時圍巖的應(yīng)力、位移分布特征,得出計算結(jié)果如圖5~7所示。
由圖5中的垂直應(yīng)力分布圖可知,在6 m切縫條件下,沿空留巷頂板范圍內(nèi)存在卸壓區(qū),受到的垂直應(yīng)力在4.83~15 MPa之間;巷道實(shí)體煤幫10 m處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū),此時垂直應(yīng)力的最大值為43.7 MPa。同時根據(jù)圖5的垂直位移分布圖可知,巷道頂板位移在采空區(qū)側(cè)位移約750 mm,在實(shí)體煤側(cè)位移約500 mm。
由圖6中的垂直應(yīng)力分布圖可知,在8 m切縫條件下,沿空留巷頂板范圍內(nèi)存在卸壓區(qū)且相對切縫為6 m時范圍更大,受到的垂直應(yīng)力在0.37~10 MPa之間,相對切縫為6 m時下降明顯;巷道實(shí)體煤幫13 m處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū),此時垂直應(yīng)力的最大值為40.3 MPa,相對切縫為6 m時距煤幫更遠(yuǎn)且應(yīng)力減小。同時根據(jù)圖5的垂直位移分布圖可知,巷道頂板位移在采空區(qū)側(cè)位移約250 mm,在實(shí)體煤側(cè)位移約250 mm,相對切縫為6 m時頂板位移顯著減小。
圖5 距工作面80 m時6 m切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖
圖6 距工作面80 m時8 m切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖
由圖7中的垂直應(yīng)力分布圖可知,在10 m切縫條件下,沿空留巷頂板范圍內(nèi)卸壓區(qū)相對切縫為8 m時進(jìn)一步擴(kuò)大,受到的垂直應(yīng)力在0~10 MPa之間,相對切縫為8 m時無明顯變化;巷道實(shí)體煤幫12 m處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū),此時垂直應(yīng)力的最大值為39.5 MPa,相對切縫為8 m時應(yīng)力位置與大小均無明顯變化。同時根據(jù)圖7的垂直位移分布圖可知,巷道頂板位移在采空區(qū)側(cè)位移約250 mm,在實(shí)體煤側(cè)位移約250 mm,相對切縫為8 m時無明顯變化。
圖7 距工作面80 m時10 m切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖
通過對比圖5~7可知:切頂高度對卸壓效果具有較顯著的影響。8 m時的切頂高度相對6 m時的巷道頂板垂直應(yīng)力與位移有明顯的下降,應(yīng)力最大值從15 MPa降低至10 MPa,位移值從750 mm降低至250 mm;同時8 m時的切頂高度相對6 m時煤柱實(shí)體幫側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力最大值大小從43.7 MPa降低至40.3 MPa,距離也從10 m增加至13 m。但8 m時的切頂高度相對10 m時的巷道圍巖垂直應(yīng)力與位移則沒有明顯變化,應(yīng)力最大值、位移值均在10 MPa、250 mm左右;同時8 m時的切頂高度相對10 m時煤柱實(shí)體幫側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力大小與距離也無明顯變化。即切頂高度與卸壓區(qū)范圍成正相關(guān);巷道圍巖垂直應(yīng)力大小與垂直位移隨切頂高度的增加而降低,同時實(shí)體煤幫內(nèi)集中的應(yīng)力大小隨切頂高度增加而降低,距離隨切頂高度增加而增加,切頂高度增加有利于巷道的維護(hù)與穩(wěn)定。
但切頂高度增加到一定程度時,垂直應(yīng)力大小與位移、集中應(yīng)力大小與距離則不再明顯變化。并且切頂高度越大,施工難度越大,進(jìn)行方案設(shè)計時應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際情況選擇最優(yōu)參數(shù)。綜合對比可知,切頂高度為8 m時卸壓效果明顯,集中應(yīng)力較小,應(yīng)力集中區(qū)距巷道較遠(yuǎn),有利于巷道圍巖穩(wěn)定,巷道垂直位移在合理范圍內(nèi),因此切頂高度為8 m是比較合理的。
根據(jù)理論分析,巷道頂板進(jìn)行切頂后,采空區(qū)上方巖體在上覆巖層自重應(yīng)力的作用下產(chǎn)生下沉,下沉過程中會與巷道頂板發(fā)生不同程度的相互作用,從而導(dǎo)致巷道頂板變形較大。為了研究切頂角度對卸壓效果的影響,下面根據(jù)工程實(shí)際需要,在距離工作面80 m位置運(yùn)用FLAC3D建立計算模型,分別模擬切頂角度為0°、15°、25°時圍巖的應(yīng)力、位移分布特征,得出計算結(jié)果如圖8~10所示。
圖8 距工作面80 m時0°切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖
由圖8中的垂直應(yīng)力分布圖可知,在0°切縫條件下,沿空留巷頂板范圍內(nèi)存在卸壓區(qū),受到的垂直應(yīng)力在0.37~10 MPa之間;巷道實(shí)體煤幫10 m處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū),此時垂直應(yīng)力的最大值為40.2 MPa。同時根據(jù)圖5的垂直位移分布圖可知,巷道頂板位移在采空區(qū)側(cè)位移約250 mm,在實(shí)體煤側(cè)位移約250 mm。
由圖9中的垂直應(yīng)力分布圖可知,在15°切縫條件下,沿空留巷頂板范圍內(nèi)存在卸壓區(qū)且相對切縫為0°時范圍變化不大,受到的垂直應(yīng)力在0.24~10 MPa之間,相對切縫為0°時應(yīng)力變化不大;巷道實(shí)體煤幫10 m處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū),此時垂直應(yīng)力的最大值為41.0 MPa,相對切縫為0°時應(yīng)力增大。同時根據(jù)圖9的垂直位移分布圖可知,巷道頂板位移在采空區(qū)側(cè)位移約300 mm,在實(shí)體煤側(cè)位移約300 mm,相對切縫為0°時頂板位移增大。
圖9 距工作面80 m時15°切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖
由圖10中的垂直應(yīng)力分布圖可知,在25°切縫條件下,沿空留巷頂板范圍內(nèi)存在卸壓區(qū)且相對切縫為15°時范圍變化不大,受到的垂直應(yīng)力在5~15 MPa之間,相對切縫為15°時應(yīng)力明顯增大;巷道實(shí)體煤幫7 m處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中區(qū),此時垂直應(yīng)力的最大值為44.3 MPa,相對切縫為0°時應(yīng)力增大。同時根據(jù)圖10的垂直位移分布圖可知,巷道頂板位移在采空區(qū)側(cè)位移約600 mm,在實(shí)體煤側(cè)位移約400 mm,相對切縫為15°時頂板位移明顯增大。
圖10 距工作面80 m時 25°切縫垂直應(yīng)力和垂直位移分布圖
通過對比圖8~10可知:切頂角度對卸壓效果具有較顯著的影響。15°時的切頂角度相對0°時的巷道頂板垂直應(yīng)力變化不大,而頂板位移有所上升,應(yīng)力最大值均為10 MPa左右,位移值從250 mm增加至300 mm;同時15°時的切頂角度相對0°時煤柱實(shí)體幫側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力最大值大小從40.2 MPa降低至41.0 MPa,距離無太大變化,為10 m。但15°時的切頂角度相對25°時的巷道頂板垂直應(yīng)力與位移變化明顯,應(yīng)力最大值從10 MPa增加至15 MPa,位移最大值值從300 mm增加至600 mm;同時15°時的切頂角度相對25°時煤柱實(shí)體幫側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力最大值大小從41.0 MPa明顯增加至,距離從10 m減少至7 m。即巷道頂板垂直應(yīng)力大小與垂直位移隨切頂角度的增加而增加,同時實(shí)體煤幫內(nèi)集中的應(yīng)力大小隨切頂角度增加而增加,距離隨切頂角度增加而減小,合適的切頂角度才有利于巷道的維護(hù)與穩(wěn)定。
但切頂角度從0°開始增加至15°時,垂直應(yīng)力大小與位移、集中應(yīng)力大小與距離變化并不明顯。同時考慮到切頂角度為0°時,采空區(qū)頂板垂直位移較小,0°切縫時若采空區(qū)頂板垮落不徹底,采空區(qū)范圍內(nèi)垂直應(yīng)力仍然較高;切頂角度為15°、25°時,采空區(qū)頂板垂直位移較大,采空區(qū)存在較大范圍的低應(yīng)力區(qū),表明一定的切縫角度有利于采空區(qū)頂板垮落,從而達(dá)到利用垮落巖體充填采空區(qū)、支撐上部巖層的目的。綜合對比可知,切頂角度為15°時卸壓效果明顯,利于采空區(qū)矸石的垮落,集中應(yīng)力較小,應(yīng)力集中區(qū)距巷道較遠(yuǎn),有利于巷道圍巖穩(wěn)定,巷道垂直位移在合理范圍內(nèi),因此切頂角度為15°是比較合理的。
(1) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知,合適的切頂參數(shù)對卸壓效果影響明顯,能夠有效降低巷道頂板一定范圍內(nèi)的應(yīng)力,減弱實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象,形成卸壓區(qū),有利于巷道頂板穩(wěn)定。
(2) 當(dāng)切頂高度為8 m時,集中應(yīng)力較小,增大了應(yīng)力集中區(qū)向?qū)嶓w煤深處轉(zhuǎn)移的距離,巷道垂直位移在合理范圍內(nèi),因此切頂高度為8 m是比較合理的。
(3) 當(dāng)切頂角度為15°時,集中應(yīng)力較小,應(yīng)力集中區(qū)距巷道較遠(yuǎn),有利于巷道圍巖穩(wěn)定,巷道垂直位移在合理范圍內(nèi),有利于采空區(qū)矸石的垮落與巷道圍巖的穩(wěn)定,因此切頂角度為15°是比較合理的。