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(shù)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(cè)工作面終采線位置是影響巷道變形的關(guān)鍵因素。因此,有必要對煤層大巷兩側(cè)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(shè)計中,綜放開采停采線位置,一般根據(jù)上 (下)山煤柱的尺寸,在設(shè)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(chǎn)中,均按此終采線作為工作面結(jié)采的依據(jù)[6]。但是這種終采線位置的確定方法,主要是依據(jù)的傳統(tǒng)經(jīng)驗,沒有充分考慮煤礦生產(chǎn)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(shù)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(shù)

FLAC程序可以模擬彈性模型、摩爾-庫倫準則、應(yīng)變強化和應(yīng)變軟化模型等6種材料。本文主要采用數(shù)值模擬軟件FLAC2D對王莊煤礦52采區(qū)的采動情況進行數(shù)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(yīng)用平面應(yīng)變模型假設(shè),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(wǎng)格尺寸平均為2m×2m,局部為1m×0.5m及0.5m×0.5m。模型兩側(cè)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(shù)值模擬計算過程中,巖體采用理想彈塑性本構(gòu)模型-摩爾-庫倫 (Mohr-Coulomb)屈服準則,煤體采用應(yīng)變軟化模型進行模擬計算。[8]根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)的試驗研究提供的巖石力學試驗結(jié)果,以及巖體力學參數(shù)具有較大的離散型等特點。因此,在數(shù)值計算中所采用的巖土體的物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土體力學參數(shù)取值表

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分析

2.1.1 圍巖最大主應(yīng)力場分析

表2對工作面前端煤柱的最大主應(yīng)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(yīng)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(yīng)力峰值曲線,如圖2所示。2.1.2 煤柱應(yīng)力場分析

表2 工作面前端煤柱的最大主應(yīng)力峰值統(tǒng)計表

圖2 工作面前端煤柱最大主應(yīng)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(yīng)力 (SYY)和水平應(yīng)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(yīng)力集中現(xiàn)象,同時煤柱內(nèi)的應(yīng)力峰值總是出現(xiàn)在靠近工作面的一側(cè)。

圖5、圖6分別給出了工作面前端煤柱內(nèi)的應(yīng)力峰值與工作面推進長度的關(guān)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(nèi)的應(yīng)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(yīng)力急劇增加;當工作面推進到436m以后,工作面前端煤柱的應(yīng)力集中系數(shù)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(yīng)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(jīng)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(xiàn)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(chǎn)生極大的破壞。

根據(jù)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(chǎn)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(zhuǎn)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(yīng)力曲線

圖4 工作面前端煤柱水平應(yīng)力曲線

圖5 工作面前端煤柱水平應(yīng)力峰值圖

圖6 工作面前端煤柱垂直應(yīng)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(chǎn)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(zhuǎn),這將對巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大的影響。而在工作面推進至450m時,巷道的位移量產(chǎn)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(xiàn)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(jié)論

通過對采區(qū)大巷兩側(cè)工作面回采影響的分析,可以得到以下結(jié)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(zhuǎn)。

3)綜合考慮巷道圍巖應(yīng)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(yīng)保持在70～80m左右。定 [J].煤炭科學技術(shù),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(shù),2007,35(4):12-15.

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