煤礦巷道連采連掘工藝應(yīng)力分布仿真分析

白玉龍

(山西古縣西山鴻興煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042404)

1 概述

我國(guó)的能源供應(yīng)中，煤炭資源占據(jù)了70%的比例，煤炭的開采供應(yīng)影響著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。我國(guó)的煤炭大部分采用井下巷道的方式開采，巷道的安全對(duì)于煤炭的安全生產(chǎn)具有重要的影響。由于巷道受到采動(dòng)作用的影響嚴(yán)重，并且各種應(yīng)力作用的影響，使得對(duì)于巷道的安全性能提出了較高的要求。隨著煤炭開采技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化程度不斷提高，在提高了開采效率的同時(shí)，也存在采掘失衡的問題[1]，造成掘進(jìn)效率較低，無(wú)法滿足開采的需求，同時(shí)巷道掘進(jìn)過程中的應(yīng)力作用較為突出，造成巷道的變形，無(wú)法進(jìn)行煤炭的安全開采工作。

采掘失衡的問題造成煤礦生產(chǎn)的效率低下，為了解決這一問題，在水平或近水平煤層開采時(shí)，采用連采連掘的方式成為煤礦開采的新的工藝方式，采用多個(gè)巷道使得巷道的掘進(jìn)和工作面的回采同時(shí)進(jìn)行，通過配置相應(yīng)的設(shè)備[2]，達(dá)到采掘平衡，提高煤礦的生產(chǎn)能力。采用多巷道進(jìn)行連采連掘時(shí)，巷道受到的應(yīng)力作用更加復(fù)雜，針對(duì)某煤礦依據(jù)巷道間的距離的不同對(duì)兩個(gè)巷道進(jìn)行開采時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，由此確定巷道軸向采掘的最佳距離，為采用連采連掘方式的煤礦開采提供參考。

2 連采連掘工藝介紹

采用兩個(gè)巷道進(jìn)行連采生產(chǎn)時(shí)，連采工作面需要的設(shè)備主要包括連續(xù)采煤機(jī)、錨桿機(jī)、梭車、破碎機(jī)及輸送設(shè)備。具體設(shè)備的配置數(shù)量，如表1所示。

表1 連采連掘配套設(shè)備清單

進(jìn)行兩個(gè)巷道連采連掘生產(chǎn)時(shí)，連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行割煤和裝煤操作，梭車將割下的煤礦運(yùn)輸至破碎機(jī)進(jìn)行破碎處理，并將破碎后的煤炭裝載到輸送機(jī)上輸送至指定的位置。連續(xù)采煤機(jī)在A巷道內(nèi)進(jìn)行割煤時(shí)，錨桿機(jī)在B巷道內(nèi)進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)割煤至循環(huán)指定位置后，連續(xù)采煤機(jī)開出A巷道，待B巷道內(nèi)的支護(hù)工作完成后，錨桿機(jī)開出至巷道A的待支護(hù)位置，而連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)入B巷道內(nèi)進(jìn)行割煤，兩個(gè)巷道之間通過橫川連接，如此不斷循環(huán)進(jìn)行連采連掘[3]。在連采連掘進(jìn)行時(shí)，鏟車進(jìn)行物料、設(shè)備的運(yùn)輸或者巷道內(nèi)落煤的清理，設(shè)備多任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，提高煤礦的生產(chǎn)能力。

3 連采連掘工作面應(yīng)力分布仿真

依據(jù)選定的工作面，選取計(jì)算模型大小為150 m×110 m×30 m(長(zhǎng)寬高)，以此采用FLAC3D來分析兩個(gè)巷道掘進(jìn)開采時(shí)的應(yīng)力分布情況，并確定巷道間的最佳距離。FLAC3D是利用差分法來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)求解仿真分析的軟件，針對(duì)巖土的力學(xué)分析而開發(fā)，內(nèi)置有各種常用的彈性、塑性體的模型[4]，可以針對(duì)復(fù)雜的工程力學(xué)與動(dòng)力分析、溫度分析等進(jìn)行耦合，廣泛應(yīng)用在巖土工程應(yīng)力仿真分析上，并取得了較好的模擬效果。

采用FLAC3D進(jìn)行應(yīng)力的仿真分析，需要建立兩個(gè)巷道采掘時(shí)的模型，針對(duì)實(shí)際的物理模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理，在垂直方向上的支護(hù)、老底等均依據(jù)實(shí)際厚度進(jìn)行模擬，在寬度方向上模擬采掘推進(jìn)的距離。所進(jìn)行采掘的煤層傾角最大為10°，平均角度為2°，煤層的厚度平均為6 m，煤層的結(jié)構(gòu)單一，煤質(zhì)較硬[5]。

在兩條巷道同時(shí)采掘的工況下，兩條巷道的應(yīng)力受到每條巷道的尺寸及形狀的影響，并且兩條巷道之間的中心距離對(duì)于應(yīng)力的整體分布具有重要的影響。依據(jù)實(shí)際采集采掘的工況及理論計(jì)算，在仿真分析過程中兩條巷道間的中心距離選定為20 m，針對(duì)不同掘進(jìn)距離的情況對(duì)應(yīng)力集中及分布情況進(jìn)行模擬分析，選定兩巷道采掘的軸向距離分別為20 m、30 m、40 m，由此分析應(yīng)力分布情況，并確定兩條巷道軸向采掘的最佳距離。依據(jù)煤層的性質(zhì)，設(shè)定相應(yīng)的物理參數(shù)，對(duì)巷道間的軸向距離為20 m、30 m、40 m時(shí)垂直于兩巷道的應(yīng)力進(jìn)行運(yùn)行仿真計(jì)算，得到應(yīng)力分布，如圖1中a)、b)、c)所示。

圖1 兩巷道采掘時(shí)的應(yīng)力分布

從圖1中可以看出，在軸向距離為20 m時(shí)，巷道上方的應(yīng)力值較大，且存在著應(yīng)力集中和疊加的現(xiàn)象，隨著軸向距離的增加，在30 m距離時(shí)的應(yīng)力值減小較多，且應(yīng)力集中和疊加的現(xiàn)象較小，在達(dá)到40 m的距離時(shí)，應(yīng)力集中和疊加較少，但應(yīng)力值相對(duì)30 m時(shí)的值減小有限。三者之間的應(yīng)力集中系數(shù)隨著軸向距離的增加，呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，為進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論，設(shè)定對(duì)軸向距離為10 m、50 m的情況進(jìn)行仿真計(jì)算，將得到的應(yīng)力集中系數(shù)作圖。如圖2所示，軸向距離對(duì)垂直方向應(yīng)力集中系數(shù)的影響趨勢(shì)圖。從圖2中可以看到應(yīng)力系數(shù)隨著軸向距離的增加，呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，并且在10 m～20 m及30 m～40 m～50 m變化的過程中，應(yīng)力集中系數(shù)的變化率不大，主要的應(yīng)力集中系數(shù)變化產(chǎn)生在20 m～30 m的軸向距離上，并且在30 m的情況下，應(yīng)力分布較為平均，結(jié)合支護(hù)的安全性來講，確定在兩條巷道進(jìn)行連采連掘時(shí)軸向距離以30 m為最佳的采掘距離。

圖2 軸向距離對(duì)垂直方向應(yīng)力集中系數(shù)的影響趨勢(shì)圖

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，大都位于地下，煤炭資源在未進(jìn)行開采時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定，而進(jìn)行采掘的過程中，由于受到工程作用的影響，破壞了巖層的穩(wěn)定性，造成應(yīng)力的重新分布，應(yīng)力的重新分布及工程作用的影響對(duì)巷道產(chǎn)生一定的壓力，造成巷道的變形或者破壞，影響了煤礦的安全生產(chǎn)。隨著采煤自動(dòng)化程度的提高，為了提高掘進(jìn)的效率，保證采掘平衡，在水平或近水平煤層開采時(shí)，采用連采連掘的工藝進(jìn)行煤礦采掘，可以提高煤礦的生產(chǎn)能力。

進(jìn)行連采連掘時(shí)，巷道受到的應(yīng)力變化情況更加復(fù)雜，并且采掘的分配對(duì)應(yīng)力的影響較大，針對(duì)兩個(gè)巷道進(jìn)行采掘時(shí)的應(yīng)力及軸向距離的變化，采用FLAC3D軟件在不同的軸向距離想進(jìn)行應(yīng)力分布的仿真分析。分析結(jié)果表明，30 m距離時(shí)的應(yīng)力值減小較多，且應(yīng)力集中和疊加的現(xiàn)象較小；應(yīng)力集中系數(shù)隨著軸向距離的增加，呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，主要的應(yīng)力集中系數(shù)變化產(chǎn)生在20 m～30 m的軸向距離上，結(jié)合支護(hù)的安全性來講，確定在兩條巷道進(jìn)行連采連掘時(shí)軸向距離以30 m為最佳的采掘距離。