煤礦專用充填巷合理位置確定及穩定性分析?

匡 漢 彭楊皓 于 躍 楊 捷

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

煤礦專用充填巷合理位置確定及穩定性分析?

匡 漢 彭楊皓 于 躍 楊 捷

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

研究了利用專用充填巷進行充填開采的工藝。根據理論計算確定專用充填巷應布置在裂隙帶之中,并根據FLAC3D模擬和煤礦地質條件確定專用巷的具體位置及穩定性。結果表明,距離頂板18 m處巖層較穩定,巖層下沉較平緩較小,離工作面較近,向下打鉆孔時經濟合理,因此將專用充填巷布置在18 m處。理論分析、數值模擬結合現場地質條件確定專用充填巷位置的研究方法是一種行之有效的方法。

充填開采 專用充填巷 合理位置 數值模擬 穩定性分析

1 專用充填巷的提出

傳統的充填管路布置是通過地面鉆孔或者井筒下井后,沿運輸巷布置在工作面后方,充填與開采在同一層面相互干擾,充填管路較長,料漿運輸阻力大。在此背景下,提出采用專用充填巷解決上述問題,以提高充填開采能力。

新的充填工藝通過在煤層基本頂中掘進專門的充填巷道并利用充填巷道底板的鉆孔從采空區的上方進行充填。即在工作面的上方穩定基本頂中掘進一條走向巖巷,井下的充填設備安裝在基本頂巖巷中,在巷道底板走向方向布置3個鉆孔,每個鉆孔的方向不同,使每個鉆孔的方向在工作面傾向方向上平均分布。在地面建立充填站,把砂子、粉煤灰、膠結料和水配制成膏體充填料漿,利用充填泵把膏體充填料漿通過充填管路由地面輸送到井下工作面上方基本頂巷道中,實現采空區的充填和工作面的回采互不影響。其工作巷道及鉆孔布置如圖1所示。

圖1 膠結充填工藝工作面意圖

2 工作面概況

汾西礦業集團新陽礦2＃煤層位于山西組中下部,種類為焦煤,硬度較小,工作面上方有S340省道、孝柳鐵路和村莊,必須進行充填開采。進行充填開采的10203工作面布置在2＃煤層,模擬試驗的10203工作面平均開采深度200 m,煤層平均傾角6°,為近水平煤層,平均開采厚度2.33 m,上距1＃煤層8.03 m,工作面長度為100 m。該煤層偽頂為泥巖,直接頂為厚1.65 m黑色泥巖,基本頂為中砂巖、黑灰色砂巖;直接底為厚3.46 m黑色泥巖,含植物化石,致密性脆。10203工作面采用長壁式綜采充填法采煤,示范工作面的采空區擬用矸石、粉煤灰與相關添加劑拌合后充填。

3 采空區上覆巖層冒落帶、裂隙帶厚度理論計算

通過礦壓原理及實測研究,煤層開采后上覆巖層在垂直方向的破壞和移動一般分為“三帶”(從下至上),即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。不同傾角、不同巖性的巖層及不同組合的覆巖,其移動規律及破壞規律是不同的。

3.1 冒落帶厚度計算

冒落帶是工作面回采后,采空區上覆巖層冒落充滿采空區形成的。影響冒落帶的因素除采高以外,還與巖石的碎脹系數有關。一般來說,巖石比較軟時,巖石碎脹系數就小;巖石比較硬時,巖石碎脹系數就大。不同的巖石碎脹系數見表1。

表1 巖石碎脹系數表

根據相關文獻冒落帶最大厚度計算:

式中:H冒——冒落帶的最大厚度,m;

∑m——采高,m;

α——煤層傾角,(°);

k——冒落巖層碎脹系數。

將10203工作面相關數據代入式(1),得工作面采空區冒落帶最大厚度為8.09 m。

3.2 裂隙帶厚度計算

冒落帶與裂隙帶之間并無嚴格的界線。根據我國各煤田的實測資料分析,這兩帶的總厚度一般為采出煤厚的9～35倍,裂隙帶厚度更為精確的計算:

式(2)為《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規程》中推薦的經驗公式,其結果有一定的適應性,計算結果并不精確,因此結合實踐經驗公式(3)進行確定,并選擇公式(2)、(3)中結果較大的值作為裂隙帶的厚度,以提高裂隙帶厚度計算的可靠性。

2＃煤層的厚度為2.33 m,代入式(2)和(3)計算得37.39 m和40.53 m,選取較大值。

根據理論計算得工作面采空區的冒落帶最大厚度為8.09 m,裂隙帶的厚度約40.53 m。根據現場實際經驗可知三帶理論計算結果一般偏大。因此,需要結合數值模擬結果,對冒落帶、裂隙帶做細致研究準確確定兩帶的厚度。

4 冒落帶、裂隙帶數值模擬分析

4.1 建立計算模型

充填開采引起的上覆巖層移動相當于經過充分壓實后的充填體與頂板間距這個厚度的煤層被開采后所引起的巖層移動。這個厚度被定義為計算采高,因此,充填體充填開采上覆巖層移動規律可以用計算采高的垮落法開采進行預計。為了留有一定的安全系數,充實率按實際要求的最低水平85%計算,按相關文獻提供的計算方法得計算采高為0.65 m。網格初始化主要考慮了研究區域的實際采礦地質條件,根據充填工作面的實際開采情況,確定模型尺寸為200 m×300 m×60 m。工作面沿X方向推進,連續推進長度為80 m;工作面傾向長100 m;同時把厚度較小但巖性相近的巖層劃為同一層,模型共分10層,Z方向為60 m。采用分步開挖模擬試驗,每步推進8 m,推進10步,總共推進80 m,即從X＝60 m推進到X＝140 m。模型計算采用莫爾－庫倫(Mohr－Coulomb)屈服準則。模型中各煤、巖層的力學參數見表2。

表2 模型各煤、巖層力學參數

4.2 冒落帶、裂隙帶厚度的確定

工作面回采后,采空區上方首先出現的是拉應力,當頂板巖層中的拉應力超出巖體的抗拉強度時,頂板巖層出現拉應力破壞區,隨著拉應力破壞區的不斷擴大,最終引起頂板冒落形成冒落帶;其次出現的是剪切破壞區,剪切破壞區的巖體由于主要受到剪應力的作用而產生橫向或者豎向的裂紋,所以該區為裂隙帶。

圖2 工作面推進40 m和80 m模型狀態

圖2為工作面推進40 m和80 m模型狀態,模擬結果可知工作面推進40 m時,工作面先出現拉應力破壞區無明顯的剪應力破壞區;當工作面推進到80 m時,上覆巖層出現剪應力破壞區。通過網格高度判斷冒落帶的范圍為工作面上方約7.2 m,裂隙帶在7.2 m以上。巖石的抗拉強度一般為抗壓強度的1/4～1/25,平均為1/10,所以在數值模擬過程中,工作面向前推進時先出現拉應力破壞區再出現剪應力破壞區,這與實際情況相符。由于上覆巖層受力的復雜性,導致模擬過程中局部地區也出現拉剪破壞或剪切破壞,拉剪破壞區并不連續。

5 專用充填巷位置的確定

由于理論計算結果通常比實際情況偏大,結合數值模擬結果,可將冒落帶高度范圍定為頂板以上7.2～10 m,裂隙帶高度范圍定為頂板11～40.53 m。為了確定專用充填巷布置在7 m以上的具體位置,布置一系列監測點監測。

5.1 監測點布置

為得到采空區中心上覆巖層隨工作面推進過程的位移變化,沿煤層走向方向作剖面,如圖3(a)所示,其中豎直方向監測線布置在采空區的中心,隨工作面的推進而變化。在剖面豎直方向監測線上,距采空區上方6～30 m的范圍內每3 m布置一個監測點,如圖3(b)中圓點所在位置。

圖3 監測線布置圖

5.2 數據記錄

當工作面推進8 m、16 m、32 m、64 m、80 m時,統計比較垮落法和充填法,采空區豎直中心線上各個監測點Z方向位移如圖4和圖5所示。

圖4 垮落法開采時豎直監測點Z方向位移曲線圖

圖5 充填法開采時豎直監測點Z方向位移曲線圖

當工作面推進80 m時,對比垮落法和充填法上覆巖層位移圖可知,垮落法開采時最大下沉量為2 m;充填時最大下沉量為330 mm,頂板下沉減小了83.5%。充填法開采后,上覆巖層沒有冒落帶,只有裂隙帶和彎曲下沉帶,上覆巖層的位移明顯減小。垮落法開采后,距頂板6～18 m處豎直方向位移差值為577 mm,距頂板18～30 m處豎直方向位移差值為105 mm,豎直方向位移差值減小了81.8%;充填法開采后,距頂板6～18 m處豎直方向位移差值為85 mm,距頂板18～30 m處豎直方向位移差值為32 mm,豎直方向位移差值減小了62.3%。分析上覆巖層位移差值變化,可知18 m以上豎直方向位移變化率明顯趨于平緩,巖層受工作面擾動較小,因此選取距頂板18 m處掘專用充填巷。

6 專用充填巷穩定性分析

專用充填巷的穩定性主要從兩方面考慮,一方面考慮充填巷在充填開采過程中應力變化,避免受較高支承壓力的影響,同時避開卸壓裂隙較發育區,使巷道位于矸石壓實區上方;另一方面要考慮專用巷的位移變化,垂直方向位移變化太大,充填巷不穩定,充填設備安裝、運行較困難,料漿的輸送阻力增大,在滿足巷道功能的前提下,盡量增大巷道與開采煤層的垂直距離,減小工作面推進影響。結合工作面的地質條件,分析了專用充填巷的穩定性。

6.1 應力分析

煤層開采后,由于采動覆巖的彎曲沉降運動,頂板中的巷道圍巖會產生不同程度的、絕大多數由弱面和舊裂隙發展而成的采動裂隙。隨工作面推進,采動裂隙發生變化,在煤壁支承區,巷道圍巖產生的斜交裂隙因上部水平受拉和下部壓縮而呈楔形;在覆巖離層區,巷道圍巖產生水平離層裂隙,下部逐漸張開,呈倒楔形;在重新壓實區,采動裂隙閉合。由此可知,頂板巷道劇烈變形主要發生在覆巖沉降及水平移動過程中,由覆巖移動變形作用和集中應力作用所致,對于FALC3D和理論分析出的結果要結合層面的地質構造情況做進一步論證。

由表2可知,10203工作面上18 m處的巖層為細砂巖,細砂巖堅硬抗壓抗拉強度均較大,抗拉強度為4.11 MPa,抗壓強度為28.2 MPa。充填開采時18 m處橫剖面受采動影響較小,此平面主要受壓應力作用,抗壓強度為28.2 MPa,遠大于此面上的最大壓應力10.4 MPa,見圖6,所以在細砂巖中開挖巷道是穩定的,巖巷不會破壞。另一方面,根據煤礦地質資料可知,專用充填巷距下方相鄰泥巖有2.3 m的距離,專用充填巷的底部也是穩定的不會因巖層破壞而失穩。

圖6 距頂板18 m橫剖面垂直應力圖

6.2 位移分析

下面只針對充填法開采進行研究,工作面推進80 m時,如圖3所示在距頂板18 m處水平監測線上每10 m布置一個監測點,共布置21個監測點(圖3水平方向監測線上X點所在位置)監測工作面走向Z方向位移,如圖7所示。

圖7 距頂板18 m水平監測點Z向位移圖

從圖7可以看出充填法開采時,隨著距中心距離的增大,Z方向垂直位移逐漸減小,水平方向0～100 m距離內,垂直位移從245 mm減小到60 mm,單位距離垂直位移為1.85 mm,越靠近采空區中心線(圖3中豎直方向監測線所在位置)Z方向位移越大,單位距離內的垂直位移下降越快。充填開采時,專用巷趨于均勻下沉和連續變形,能夠有效地保證安裝在專用巷內充填設備穩定,充填巷在豎直方向上下沉較均勻,充填管路起伏較平緩,料漿輸送阻力也較小。

6.3 確定專用充填巷穩定性的措施

(1)選擇合理專用巷開挖方案。避開采動覆巖活躍期,在上覆巖層移動穩定后掘進巷道,利于巷道維護;并根據巷道功能以及服務年限,選擇合適的巷道斷面及支護方案。

(2)提高專用巷圍巖強度和支護結構穩定性。在回采工作面頂板的支承壓力作用下,單一支護方式難以保證專用巷的穩定,采取多種支護方法來增強專用巷的穩定性。由于采動壓力及其影響隨著工作面推進而不斷變化,劇烈影響范圍和作用時間一般較短,所以一般采取在工作面劇烈影響區前方,在原支護方式基礎上,提前增設加強支護的措施來抵抗動壓的劇烈影響。

(3)加強專用巷關鍵區域的穩定性。底板是頂板巷道支護必須強化的關鍵區域,受下部工作面采動影響,頂板和兩幫的下沉導致兩幫圍巖向巷道內移近,而且當底板為軟弱巖層時兩幫煤體可嵌入底板,因而加劇底鼓。底板的穩定有助于兩幫的穩定,同時改善頂板受力狀態,進而影響整個結構的穩定,底板不穩定時對底板采取措施增強其穩定性。

7 結論

(1)理論計算結合數值模擬確定了10203工作面冒落帶和裂隙帶的高度。冒落帶高度范圍為距頂板7.2～10 m處,裂隙帶高度范圍距頂板11～40.53 m。這與新陽礦相鄰工作面的監測與實測數據相符合,進一步證明理論計算和數值模擬的可靠性。

(2)通過理論計算及數值模擬,確定了充填開采時頂板18 m處時下沉變化率較平緩,下沉最大位移小于158 mm,滿足工程要求;另一方面,為使專用充填巷距采空區距離最短,向下打充填鉆孔時經濟,因此將充填巷布置在距頂板18 m處。

(3)通過對專用充填巷的穩定性分析,為復雜地質條件下合理布置專用充填巷提供了保證,增加了專用充填巷的適應性和可靠性。專用巷開挖過程中,應避開采動覆巖活躍期開挖巷道,盡量在上覆巖層移動穩定后掘進巷道,根據專用巷的使用時間來選擇專用巷的支護方案、巷道斷面大小。

(4)專用充填巷的具體位置的確定為新陽礦充填巷的優化提供了新的思路。理論分析、數值模擬和現場實測的研究方法為類似工程(煤礦專用充填巷、高位孔、高抽巷)提供了有效實用的工程判斷和計算方法,具有一定的參考價值。

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Research on the reasonable location determining and stability analysis of the special filling roadway

Kuang Han,Peng Yanghao,Yu Yue,Yang Jie
(School of Resource and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

The author researched the backfill mining technology which took advantage of special filling roadway.On the basis of the oretical calculation,the special filling roadway should be set in the fissure zone;then according to the simulation of FLAC 3D and the geological conditions of coal mine,the specific location and stability of the roadway were confirmed.The research results showed that the rock stratum was more stable 18 m away from roof,where the values of strata subsidence was less and the location was closer to working face,so it was more economic and reasonable.The research method including theoretical analysis,numerical simulation and geological conditions research was an effective way to confirm the location of special filling roadway.

backfill mining,special filling roadway,reasonable location,numerical simulation,stability analysis

TD 355

A

匡漢(1988－),男,河南信陽人,中國礦業大學(北京)碩士研究生,主要從事充填開采與礦山壓力方面的研究。

(責任編輯 張毅玲)

“十一五”國家科技支撐計劃(2009BAB 48B02)