預防采空區氣體沖擊災害的密閉墻研究＊

張 杰 李 宇

(1.西安科技大學能源學院,陜西省西安市,710054;2.中國煤炭進出口公司,北京市東城區,100011)

預防采空區氣體沖擊災害的密閉墻研究＊

張 杰1李 宇2

(1.西安科技大學能源學院,陜西省西安市,710054;2.中國煤炭進出口公司,北京市東城區,100011)

建立了采空區永久密閉結構的計算模型,分析了密閉墻在氣體的沖擊作用下的受力狀態,得到了其結構參數與受力狀態的關系。利用有限差分軟件FL A C3D進一步對永久密閉的強度進行了演算,研究成果在現場實際應用中取得了很好的效果。

采空區 密閉墻 數值模擬 沖擊災害預防

1 工程背景

頂板大面積一次性垮落使采空區內空氣壓縮,氣體由采空區或巷道涌出造成沖擊載荷,對巷道密閉墻產生沖擊壓力。為預防采空區氣體沖擊災害的發生,對長壁間隔式采煤工作面采空區的密閉墻進行了研究。

長壁“間隔”開采工藝是工作面每推進一定距離留設煤柱,搬家到新的開切眼再繼續推進,因工作面不是連續推進,所以起名為“間隔”式開采。在兩永久穩定的隔離煤柱之間留一個臨時煤柱,由于煤層開采高度小,可利用臨時煤柱逐漸破壞,限制頂板的一次性破壞面積,減小垮落災害。盡管以隔離和臨時煤柱相間布置方案實現了兩隔離煤柱間100 m距離內頂板的垮落,但垮落面積仍達2萬m2,垮落會形成準颶風。這種颶風雖不會掀翻煤車,造成礦井風向倒流,威脅人員生命安全,但會揚起煤塵,引起心理恐慌,影響正常的生產秩序,甚至會造成一定的災變。因此,在適當位置設置密閉墻對采空區進行密閉是非常必要的。

2 密閉結構及參數確定

2.1 密閉墻的結構及受力分析

根據煤柱壓縮變形特點,為了實現控制頂板的破壞形式,可將長壁間隔式推進工作面留設煤柱分為兩種,一種稱為臨時煤柱,另一種稱為隔離煤柱。將工作面稱作第1開采帶、第2開采帶…。臨時煤柱要保證頂板在第1、2開采帶開采時老頂不發生初次破斷,而發生在第3開采帶之后的某開采帶的開采過程中。隔離煤柱承載能力始終大于頂板所施加的集中載荷,其作用是保證1、2開采帶頂板垮落只限定在本開采帶內。采用隔離和臨時煤柱相間布置方案,密閉墻應設置在隔離煤柱處,每采過2個開采帶,在回風和運輸巷中留設隔離煤柱的地方設置密閉墻,同一巷中相鄰密閉墻間距約100 m,設置密閉墻防止隔離煤柱間采空區(2個開采帶內)頂板垮落形成沖擊災害。密閉墻和煤柱留設示意圖如圖1所示。

圖1 密閉及煤柱留設示意圖

密閉墻設計既要考慮有足夠的抵御準颶風的強度,又應考慮成本和施工方便,將密閉結構設計為拱形,兩端面為水泥砂漿砌筑的磚墻,墻體兩端固定于巷道兩側煤壁內,兩層磚墻內充填黃土。密閉墻拱高300 mm,水泥砂漿砌筑磚墻厚300 mm,固定于巷道兩側煤壁內600 mm。密閉長為l,高為h,厚為b,其結構及三維數值計算模型見圖2所示。其力學模型如圖3所示,圖中l為巷道寬,h為巷道高,b為密閉結構的總體厚度,p為密閉結構所受沖擊壓力。

圖2 密閉結構及三維數值計算模型

其受力分析可以將密閉結構當作平行六面體,把沿密閉結構高度方向上單位長度的密閉段認為兩端固定的梁,正應力在密閉結構與巷道煤壁相聯接處,且在密閉結構的截面兩端取得最大值,彎曲切應力也在密閉結構與巷道煤壁相聯接處且密閉結構的截面中間取得最大值。設密閉結構的許用正應力,可建立密閉結構的厚度、許用正應力或切應力、最大彎矩或最大剪力之間的關系。

圖3 密閉結構的力學模型

2.2 密閉墻參數的確定

通過計算分析采空區大面積垮落時壓縮氣體施加于巷道密閉上的壓力為3.0 MPa,巷道寬3 m,則單位長度密閉段所受均布荷載為3.0×3=9000 kN/m。

設密閉墻兩端約束對梁的剪力為Q1、Q2,由梁的受力平衡可以計算得到Q1=18000 kN,Q2=-18000 kN,則梁中x處的剪力Qx=18000-9000x(kN)。

兩端約束對梁的彎矩M1=M2=-12000 kN·m,梁中x處的彎矩Mx=18000x-9000x2-12000(kN·m)。

由正應力強度校核條件解得b>1.6 m,由切應力強度校核條件解得b>3.2 m,為了保證密閉結構的安全以及使密閉結構具有較大的安全系數,在本密閉結構的設計中適當增大黃粘土的厚度,選取填充3.5 m厚的黃粘土。

3 密閉結構強度的數值分析驗算

3.1 數值模型

根據密閉墻設計建立三維數值計算模型,應用FLAC3D進行模擬,在建模過程中,盡量減小重要區域網格尺寸差異,以免影響計算的準確程度。三維計算模型應用Generate命令生成,尺寸為寬×厚×高=4 m×4 m×3 m,巷道煤柱方向沿y軸正方向,采用模爾-庫化準則(Mohr-Coulomb plasticity model)本構模型和大應變變形模型,用brick單元模擬墻體,整個模型由32256個單元組成,包括36125個節點,三維數值計算模型如圖2所示。根據壓縮氣體施加于巷道密閉上的壓力設計了三種工況,并進行了對比分析。其中工況1壓縮氣體施加于巷道密閉上的壓力為2.7 MPa,工況2壓縮氣體施加于巷道密閉上的壓力為3.0 MPa,工況3壓縮氣體施加于巷道密閉上的壓力為3.3 MPa。

3.2 數值計算結果分析

(1)密閉墻的受力和變形分析。由不同工況正應力對比分析可得:在沖擊載荷的作用下,密閉墻體應力集中區處于巷道兩幫煤柱附近,沿垂直方向貫穿整個墻體,分布情況如圖4所示。工況1墻體上所承受的最大應力值為4.6 MPa,工況2墻體上所承受的最大應力為7.5 MPa左右,工況3墻體上所承受的最大應力值為14.9 MPa,工況2的最大應力小于許用正應力9.3 MPa。由墻體正應力特征圖(見圖6)也表明,工況3墻體部分區域出現較大的應力值。

不同工況下剪應力的對比表明,在沖擊載荷的作用下,密閉墻體上剪應力分布與正應力特征相似,分布情況如圖5所示。工況1墻體上所承受的最大剪切應力為1.95 MPa左右,工況2為2.26 MPa,工況3為4.53 MPa。可以看出,工況2的最大剪切應力小于許用切應力2.8 MPa。同時,也可以得出,隨著所受載荷的增加,墻體所受的剪應力增加幅度也在不斷的增加,其剪應力特征分布如圖7所示。

不同工況下墻體的位移特征如圖8所示,其最大位移區處于巷道中心位置,工況1墻體產生的最大位移值為1.87 cm左右,工況2墻體產生的最大位移值為2.17 cm,工況3墻體產生的最大位移值為2.84 cm。可以看出隨著所受載荷的增加,墻體產生的最大位移增加幅度也在不斷增加。

圖6 墻體正應力特征

(2)密閉結構破壞分析。與應力特征相對應,墻體最早出現塑性破壞的區域也在高應力區。各工況均有小范圍的剪切破壞,工況1和工況2的墻體中部有較小范圍的拉伸破壞,而工況3處于兩幫附近的大部分墻體均發生剪切破壞,在墻體中部有一拉伸破壞帶將兩幫剪切破壞區域連通。通過前面對不同工況下密閉墻的受力、變形和破壞分析表明,密閉墻的結構設計是合理的。現場實際密閉墻的密閉效果也表明,密閉墻在采空區有限的大面積垮落(在兩隔離煤柱間)時,密閉墻能保持完好,目前還沒發生過密閉破壞現象。

4 結語

長壁“間隔”開采以隔離和臨時煤柱相間布置可控制兩隔離煤柱間的頂板垮落,但其垮落面積之大也會形成準颶風,因此,應在適當位置設置密閉墻對采空區進行密閉,避免造成災變。在分析永久密閉墻的材料結構及沖擊作用下受力狀態的基礎上,確定了密閉墻的結構參數和力學參數。通過對不同工況下密閉墻的受力、變形和破壞分析表明,密閉墻的結構設計合理。在采空區有限的大面積垮落(兩隔離煤柱間)時,密閉墻能保持完好,理論分析與現場實際應用基本一致。

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On sealing wall to prevent air bursting disaster in gob areas

Zhang Jie1,Li Yu2

(1.School of Energy Engineering,Xi’an University of Science&Technology,Xi’an,Shaanxi province 710054,China;2.China National Coal Imports and Exports Corporation,Beijing 100011,China)

With a calculation model set up for permanent sealing wall structure used in gob area,the stress state of the sealing wall structure under the condition of air bursting stress is analyzed and the relations between the structure parameters and the state of stress is obtained.The strength of the permanent dealing structure is further calculated by finite difference software and the research results achieve success in actual field application.

gob area,sealing wall,numerical simulation,bursting air disaster prevention

TD 726

A

陜西省教育廳專項科研計劃項目(09J K599),西安科技大學博士啟動金項目(200801)

張杰(1978-),男,四川達縣人,博士,主要從事礦山壓力及巖層控制的研究和教學工作。

(責任編輯 張毅玲)