松軟破碎煤層綜采放頂煤回采巷道布置優化

侯憲明

(大同鵲山高家窯煤業有限責任公司，山西 大同 037100)

1 工作面概況

五陽煤礦位于襄垣盆地東南部，屬黃土丘陵地帶，地形起伏較大，呈西高東低趨勢，現采煤層為山西組3#煤層，其強度低(f=0.8 ～1.0)，黏結力差，煤質松軟，煤層平均厚度6.4 m，平均埋深400 m，目前開采7603工作面采用綜采放頂煤開采法，回采巷道沿煤層底板布置，但由于煤層厚而松軟破碎，回采巷道沿底板布置時，頂煤不易管理，存在頂煤隨掘隨冒的現象，單循環進尺只有0.8 m，日循環進尺8 m，大量時間花費在設備交替上，效率特別低。因此，現改用沿頂板掘進。

2 數值模型建立

根據五陽煤礦3#煤層7603工作面實際開采條件，采用美國大型巖土工程計算軟件FLAC3D建立彈塑性材料模型，煤巖層物理力學參數見表1。

表1 煤巖層力學參數表

計算模型簡化圖見圖1。

圖1 計算模型簡化圖

由于計算機存儲空間的限制并考慮到巷道的對稱性，計算中取巷道的一半作為研究對象，網格剖分如圖1，在x軸方向取15 m，y軸方向即巷道掘進方向取5 m，z方向取25 m。模擬采深400 m，即垂直應力取10 MPa，水平應力取垂直應力的一半5 MPa。

邊界條件:

前后面y方向約束;

左面x方向約束;

底面z方向約束。

載荷條件:

頂面z方向施加10 MPa垂直向下的應力;

右面x負向施加5 MPa的水平應力。

3 回采巷道圍巖變形破壞的理論分析

3.1 沿頂掘進

沿頂掘進時距掘進工作面0.5 m時的垂向應力分布圖見圖2。

圖2 距掘進工作面0.5 m時的垂直應力分布圖

由圖2可以看出，巷道的頂底板出現拉應力，表現為正值，最大為9.7 ×104Pa，即0.097 MPa，最大的壓應力14 MPa，在距腰1.2～2.4 m 處，此處為壓應力核。巷道的頂底角也不同程度地出現了壓應力的集中。

沿頂掘進時水平應力分布圖見圖3。

圖3 距掘進工作面0.5 m時的水平應力分布圖

從圖3可以看出，水平方向的拉應力出現在巷道的兩腰上，最大為0.038 MPa，其次在巷道的頂底角出現了壓應力集中現象。

沿頂掘進時距掘進工作面0.5 m垂直于巷道掘進方向的圍巖破壞狀態圖見圖4。

圖4 距掘進工作面0.5 m時圍巖破壞狀態圖

由圖4可以看出，巷道圍巖的破壞面積與方式，頂板最大破壞深度為1 m，底板為1.2 m，兩腰也為1.2 m。

沿巷道掘進方向圍巖的破壞狀態圖見圖5。

圖5 沿巷道掘進方向圍巖破壞狀態圖

從圖5可以看出，掘進工作面前方的煤體在掘進過程中也發生了破壞，破壞范圍基本與兩腰相似。

3.2 沿底掘進

沿底掘進時垂向與水平應力分布狀態圖分別見圖6，圖 7。

圖6 距掘進工作面0.5 m時的垂向應力分布圖

圖7 距掘進工作面0.5 m時的水平應力分布圖

與沿頂掘進相比，其應力分布的規律幾乎是一樣的，但數值上有所變化，如兩腰最大應力集中值，沿頂掘進時為12～13.9 MPa，沿底掘進時為 14～14.2 PMa。由此可以得出，沿頂掘進時兩腰的壓應力集中程度要比沿底掘進時小，但其差值并不是太大。可是由于圍巖性質發生了變化，其承載能力也發生了變化，導致其破壞范圍也發生了變化。

沿底掘進時圍巖的破壞狀態圖分別見圖8，圖9。

圖8 距掘進工作面0.5 m時圍巖破壞狀態圖

從圖8可以看出，在沿掘進工作面0.5 m時，其頂板的最大破壞深度為1.2 m，在沿掘進工作面2～3 m時其最大破壞深度為1.6 m。兩腰的最大破壞深度為1.2 m。從圖9可以看出，與沿頂掘進相比，其底板的破壞范圍比較小，約為0.4 m，另外掘進工作面前方的破壞范圍要比沿頂掘進時大。

圖9 沿巷道掘進方向圍巖破壞狀態圖

3.3 巷道布置與快速掘進優化

通過以上的數值分析可知:

回采巷道沿底掘進，由于煤層較軟，存在隨掘隨冒現象，不僅掘進速度跟不上，而且支護也困難，錨桿的錨固段在松軟的煤層中，其錨固力比較低，不能充分發揮錨桿的效應。

回采巷道沿頂掘進，解決了隨采隨冒的現象，頂板冒落的幾率小，所以可以加大循環進尺，空頂距控制到2 m，即每掘進2 m，進行臨時支護與永久支護，臨時支護用單體液壓支柱，一個班進行兩個循環，即每班可掘進4 m，一日可掘進10 m，如每月按28個工作日算，月進尺為280 m，而原來日進尺為8 m，月進尺則為224 m，基本上實現了快速掘進。

4 結論

1)沿底掘進時回采巷道垂向與水平應力與沿頂掘進相比，其應力分布的規律幾乎是一樣的，數值上相差不大，可是由于圍巖性質不同，導致沿底掘進破壞范圍較大。

2)回采巷道沿頂掘進解決了隨采隨冒的現象，且易于支護。

3)沿頂掘進使月進尺由原來的224 m增加到了280 m，基本上實現了快速掘進。

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［2］張寶明，陳炎光，涂永沂.中國煤礦高產高效技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2001:34－42.

［3］賽云秀.現代礦山井巷施工技術［M］.陜西:陜西科學技術出版社，2000:56－68.