賈雙春

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院,北京100083;2.山西潞安環(huán)能股份公司王莊煤礦,山西長(zhǎng)治046031)

在大多數(shù)煤礦的采區(qū)布置中,采區(qū)的準(zhǔn)備巷道均布置在煤層中。因此,回采工作面終采線(xiàn)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(hù)。[1-3]分析上述原因可知,兩側(cè)工作面終采線(xiàn)位置是影響巷道變形的關(guān)鍵因素。因此,有必要對(duì)煤層大巷兩側(cè)的工作面終采線(xiàn)位置進(jìn)行深入的研究。[4]

傳統(tǒng)的工作面設(shè)計(jì)中,綜放開(kāi)采停采線(xiàn)位置,一般根據(jù)上 (下)山煤柱的尺寸,在設(shè)計(jì)時(shí)就已確定[5],將工作面終采線(xiàn)位置與采區(qū)巷道之間的距離定為固定值,以此固定值來(lái)確定回采工作面的終采線(xiàn)。在實(shí)際的煤礦生產(chǎn)中,均按此終采線(xiàn)作為工作面結(jié)采的依據(jù)[6]。但是這種終采線(xiàn)位置的確定方法,主要是依據(jù)的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn),沒(méi)有充分考慮煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的采動(dòng)影響等因素。因此,確定合理的終采線(xiàn)位置,對(duì)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(jià)值。

1 工程概況及數(shù)值計(jì)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(zhuān)用回風(fēng)巷,西接西回轅村莊煤礦。本工作面運(yùn)巷可采長(zhǎng)度為948m,風(fēng)巷可采長(zhǎng)度為948m,工作面切眼長(zhǎng)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(jì)算模型及力學(xué)參數(shù)

FLAC程序可以模擬彈性模型、摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則、應(yīng)變強(qiáng)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(duì)王莊煤礦52采區(qū)的采動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬,以判斷工作面的采動(dòng)對(duì)煤層巷道穩(wěn)定性的影響,并最終選擇合理的終采線(xiàn)位置。由于工作面推進(jìn)長(zhǎng)度范圍較大,整個(gè)工作面在環(huán)向方向的變形相對(duì)很小,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,應(yīng)用平面應(yīng)變模型假設(shè),即垂直于計(jì)算剖面方向的變形為零。

在模擬過(guò)程中,取模型寬度為750m,高度為354.67m,從地面標(biāo)高+634m一直模擬到地表+987.67m。模型共有130606個(gè)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(dòng),模型底部限制垂直方向的移動(dòng),故建立如圖1所示的計(jì)算模型。

圖1 工作面計(jì)算模型

由于煤體材料的黏聚力c對(duì)于煤炭材料的強(qiáng)度影響很大[7]。因此,在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中,巖體采用理想彈塑性本構(gòu)模型-摩爾-庫(kù)倫 (Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則,煤體采用應(yīng)變軟化模型進(jìn)行模擬計(jì)算。[8]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)的試驗(yàn)研究提供的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,以及巖體力學(xué)參數(shù)具有較大的離散型等特點(diǎn)。因此,在數(shù)值計(jì)算中所采用的巖土體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)取值表

2 數(shù)值計(jì)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(chǎng)分析

表2對(duì)工作面前端煤柱的最大主應(yīng)力峰值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),從表中可以看出,當(dāng)工作面推進(jìn)到430m(距離采區(qū)回風(fēng)大巷70m)時(shí),工作面前端煤柱的承載能力逐漸增加且達(dá)到峰值,說(shuō)明煤柱的承載能力良好。但是,當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到436m(距離采區(qū)回風(fēng)大巷64m)時(shí),煤柱的最大主應(yīng)力峰值逐漸降低,這說(shuō)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(xiàn),如圖2所示。2.1.2 煤柱應(yīng)力場(chǎng)分析

表2 工作面前端煤柱的最大主應(yīng)力峰值統(tǒng)計(jì)表

圖2 工作面前端煤柱最大主應(yīng)力峰值曲線(xiàn)

圖3、圖4分別給出了隨著工作面的不斷向前推進(jìn),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(xiàn)。從曲線(xiàn)圖中可以看出,在工作面的不斷向前推進(jìn)過(guò)程中,工作面兩端始終存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象,同時(shí)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(jìn)長(zhǎng)度的關(guān)系曲線(xiàn)圖。從圖中可以看出,隨著工作面的不斷向前推進(jìn),在工作面推進(jìn)到370m以前,煤柱內(nèi)的應(yīng)力增長(zhǎng)比較緩慢,而當(dāng)工作面推進(jìn)到430m以后,工作面前端煤柱的應(yīng)力急劇增加;當(dāng)工作面推進(jìn)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(guò)對(duì)5218工作面終采線(xiàn)與回風(fēng)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(xiàn)與回風(fēng)大巷之間的安全距離要大于64m,煤柱才能起到很好的保護(hù)作用。

2.2 巷道破壞場(chǎng)分析

圖7、圖8和圖9分別給出了工作面不同推進(jìn)長(zhǎng)度下圍巖的破壞場(chǎng)分布已經(jīng)巷道的破壞場(chǎng)分布。從圖中可以看出,隨著工作面的不斷向前推進(jìn),圍巖的破壞場(chǎng)范圍逐漸增加。當(dāng)工作面推進(jìn)到250m時(shí),工作面開(kāi)采所引起的擾動(dòng)逐漸擴(kuò)散到上部覆巖;當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到430m時(shí),工作面上部覆巖的破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,與地表巖層的破壞相連通,出現(xiàn)大范圍的破壞;當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到450m時(shí),工作面前端煤柱的破壞范圍與巷道圍巖的破壞連通,將對(duì)巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的破壞。

根據(jù)以上對(duì)煤柱破壞場(chǎng)的分析,確定5218工作面終采線(xiàn)位置與回風(fēng)大巷之間的距離要大于50m,此時(shí)的煤柱尚具有一定的承載能力,對(duì)三條大巷具有一定的保護(hù)作用。

2.3 巷道位移場(chǎng)分析

煤層三條大巷的穩(wěn)定性,可以通過(guò)巷道產(chǎn)生的位移量進(jìn)一步說(shuō)明。通過(guò)比較巷道頂、底板以及巷道兩幫的位移方向 (見(jiàn)圖10、圖11)可以看出:隨著工作面的不斷向前推進(jìn),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(jìn)一步下降。

圖3 工作面前端煤柱水平應(yīng)力曲線(xiàn)

圖4 工作面前端煤柱水平應(yīng)力曲線(xiàn)

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(jìn)250m圍巖破壞場(chǎng)分布圖

圖8 工作面推進(jìn)430m圍巖破壞場(chǎng)分布圖

圖9 工作面推進(jìn)450m圍巖破壞場(chǎng)分布圖

圖10 工作面推進(jìn)370m巷道位移矢量方向

圖11 工作面推進(jìn)450m巷道位移矢量方向

隨著工作面的不斷向前推進(jìn),各巷道所產(chǎn)生的位移量逐漸增加,特別是當(dāng)工作面推進(jìn)至416m以后,巷道的位移矢量方向發(fā)生了逆轉(zhuǎn),這將對(duì)巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大的影響。而在工作面推進(jìn)至450m時(shí),巷道的位移量產(chǎn)生了突變,這說(shuō)明巷道將徹底地失穩(wěn),回風(fēng)巷道的位移量見(jiàn)表3。

綜上對(duì)巷道的位移場(chǎng)分布可知,當(dāng)5218工作面的終采線(xiàn)與回風(fēng)大巷之間的距離為50m時(shí),回風(fēng)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(dāng)5218工作面的終采線(xiàn)位置與回風(fēng)大巷的距離大于50m時(shí),就可以保證三條大巷的穩(wěn)定。

表3 回風(fēng)大巷的位移量統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)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(jìn)過(guò)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(xiàng)位移量主要以水平位移位置,且在工作面不斷向前推進(jìn)的過(guò)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(jìn)過(guò)程中,要及時(shí)對(duì)三條大巷進(jìn)行二次支護(hù)。同時(shí),5218工作面的終采線(xiàn)位置與采區(qū)回風(fēng)大巷之間的距離,應(yīng)保持在70～80m左右。定 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,36(6):36-38.

[2] 査文華,謝廣祥,華心祝,等.綜放采場(chǎng)走向壓力分布規(guī)律及終采線(xiàn)位置確定 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2007,35(4):12-15.

[3] 劉保寬,吳吉南,朱建明,等.安家?guī)X二號(hào)井B402工作面終采線(xiàn)位置合理確定 [J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,36(12):12-18.

[4] 張向陽(yáng),涂敏,徐乃忠.動(dòng)壓下底板大巷圍巖應(yīng)力分析及合理終采線(xiàn)研究 [J].采礦技術(shù),2006,6(3):311-314.

[5] 曹勝根,劉長(zhǎng)友,韓強(qiáng),等.綜放面合理終采線(xiàn)位置的確定 [J].礦山壓力與頂板管理,1998(4):59-61.

[6] 李洪武,李晉平,李海忠.合理動(dòng)態(tài)終采線(xiàn)位置的確定[J].煤,1994,3(2):17-18.

[7] 朱建明,彭新坡,姚仰平,等.SMP準(zhǔn)則在計(jì)算煤柱極限強(qiáng)度中的應(yīng)用 [J].巖土力學(xué),2010,31(7):2987-2991.

[8] 馮錦艷,朱建明.露天-井工聯(lián)采邊坡井工與邊坡合理位置的數(shù)值模擬研究 [J].中國(guó)礦業(yè),2008,17(10):86-89.