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        望田煤業(yè)舊采區(qū)域內(nèi)遺留空巷穩(wěn)定性的數(shù)值分析

        2014-10-22 09:34:16郭曉彥
        山西煤炭 2014年7期
        關(guān)鍵詞:空巷采區(qū)跨度

        郭曉彥

        (山西焦煤集團 西山煤電屯蘭礦,太原 030200)

        1 望田煤業(yè)舊采區(qū)域概況

        山西忻州神達(dá)望田煤業(yè)有限公司位于保德縣城東南6 km處,由保德縣望田煤業(yè)有限公司、保德縣德能煤業(yè)有限公司、保德縣德源煤炭有限責(zé)任公司及新增區(qū)整合而成。望田煤業(yè)的8號煤屬厚煤層。兼并重組前,由于受自身裝備水平以及開采技術(shù)條件的限制,一直使用反復(fù)進行擴幫的巷柱式開采法,井下遺留大量煤柱,使其8號煤層的完整性受到嚴(yán)重破壞,底煤中會形成“空巷-煤柱-空巷”結(jié)構(gòu),空巷跨度一般在2~8 m;殘留空巷的上方頂煤搭接在煤柱上方呈空頂狀態(tài)。在舊采區(qū)域進行殘采時,分析空巷的穩(wěn)定性很重要。

        2 不同跨度單一空巷的穩(wěn)定性分析

        2.1 數(shù)值模型的建立

        采用RFPA軟件對舊采區(qū)空巷穩(wěn)定性進行模擬分析,對空巷跨度為2.4 m、6.6 m、8.7 m、10.8 m不同跨度的空巷穩(wěn)定性,分析不同尺寸的空巷圍巖變形和應(yīng)力分布。模型尺寸66 m×90 m,分為66 000個基本單元,每單元0.3 m×0.3 m,其中模擬底板厚度6 m,模擬時不考慮底板因素的影響,對模型底板進行硬化處理。模擬煤厚6.6 m,上覆巖層高度53.4 m,未模擬的巖層以載荷形式作用于模型上方,模型側(cè)面進行位移約束,底部固定。數(shù)值模型,見圖1。

        圖1 數(shù)值模型簡圖

        2.2 數(shù)值計算結(jié)果的分析

        1)頂板變形分析:圖2為不同跨度空巷的頂板變形破壞情況,隨著巷道跨度的增大,其頂板穩(wěn)定性發(fā)生變化??缍?0.8 m時,空巷中部頂煤冒落嚴(yán)重,巖層中出現(xiàn)微小裂隙,頂板破壞較嚴(yán)重??缍?.7 m時,頂煤局部發(fā)生冒落,頂板破壞較小??缍?.6 m時,上方頂煤出現(xiàn)微小裂隙,頂板完整性保持較好。跨度2.4 m時,頂板完整未發(fā)生破壞、變形,穩(wěn)定性較好。表明空巷跨度越大,越容易發(fā)生冒落、失穩(wěn),并且多發(fā)生在頂板中部。

        圖2 不同尺寸的空巷頂板變形情況

        2)頂煤應(yīng)力分析:圖3為不同跨度空巷頂煤應(yīng)力曲線,空巷兩幫上方頂煤易出現(xiàn)應(yīng)力集中,且高于其他處頂煤應(yīng)力,且空巷上方頂煤應(yīng)力明顯偏小。當(dāng)跨度2.4 m時,頂煤中應(yīng)力峰值7.57 MPa,集中應(yīng)力系數(shù)K=1.5??缍?0.8 m時,頂煤中應(yīng)力峰值約9.98 MPa,集中系數(shù)K=2。表明頂煤集應(yīng)力隨著空巷跨度的變大而增大。

        圖3 不同尺寸空巷頂煤應(yīng)力曲線

        3 不同跨度空巷群的穩(wěn)定性分析

        3.1 數(shù)值模型的建立

        采用RFPA軟件對舊采區(qū)的空巷群穩(wěn)定性進行模擬?,F(xiàn)以兩條空巷相鄰為例,空巷跨度取6.6 m、8.1 m,巷間煤柱取6 m,考慮相鄰空巷的穩(wěn)定性,分析不同尺寸的空巷圍巖應(yīng)力及變形情況。模型尺寸為66 m×90 m,分為66 000個基本單元,每單元0.3 m×0.3 m。模擬時不考慮底板因素的影響,對模型底板進行硬化處理。模擬煤厚6.6 m,上覆巖層高度53.4 m,未模擬的巖層以載荷形式作用于模型上方,模型側(cè)面進行位移約束,底部固定。數(shù)值模型,見圖4。

        圖4 相鄰空巷數(shù)值模型示意圖

        3.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

        1)圍巖變形情況分析:圖5為模擬望田煤業(yè)8號煤層舊采區(qū)的相鄰空巷頂板變形情況。隨著空巷跨度的增大,圍巖穩(wěn)定性發(fā)生變化。當(dāng)空巷跨度為6.6 m時,空巷頂板有裂隙和輕微冒落產(chǎn)生,巷間煤柱(亦即空巷兩幫)右側(cè)邊緣有輕微片幫現(xiàn)象;當(dāng)空巷跨度為8.7 m時,空巷頂板裂隙發(fā)育較為明顯,完整性受到較大影響,但總體仍保持較好完整性。其與單一空巷圍巖變形對比可知,相同跨度的空巷,空巷數(shù)目越多,圍巖裂隙發(fā)育及變形越明顯。

        圖5 不同尺寸相鄰空巷圍巖情況

        2)頂煤應(yīng)力分析:圖6為模擬望田煤業(yè)8號煤層舊采區(qū)的相鄰空巷上方頂煤應(yīng)力曲線??障飪蓭蜕戏巾斆褐腥菀仔纬蓱?yīng)力集中??缍?.6 m時,頂煤應(yīng)力峰值約10.3 MPa,集中系數(shù)K=2.1??缍?.1 m時,頂煤應(yīng)力峰值大小約為11 MPa,集中系數(shù)K=2.2。應(yīng)力與空巷跨度成正比關(guān)系,空巷跨度越大,集中應(yīng)力越大,并且巷間煤柱上方頂煤應(yīng)力一般高于其他處的頂煤的應(yīng)力。

        圖6 不同尺寸相鄰空巷頂板應(yīng)力曲線

        4 舊采區(qū)域不同跨度遺留空巷對比分析

        表1和表2分別為不同跨度單一空巷和不同跨度相鄰空巷對比匯總。

        表1 舊采區(qū)不同跨度單一空巷分析

        表2 舊采區(qū)不同跨度相鄰空巷分析

        1)望田舊采區(qū)遺留空巷寬度一般在2~8 m,通過對舊采區(qū)空巷(群)圍巖穩(wěn)定性的模擬可知,井下大部分空巷處于穩(wěn)定狀態(tài),隨著空巷跨度的增大,其頂板越容易產(chǎn)生裂隙,發(fā)生冒落及變形。

        2)空巷兩幫上方頂煤中出現(xiàn)應(yīng)力集中,且均高于兩側(cè)實體煤區(qū)頂煤應(yīng)力。單一空巷跨度2.4 m、6.6 m、8.7 m時,頂煤最大集中應(yīng)力峰值7.57 MPa、8.27 MPa、9.16 MPa,集中應(yīng)力系數(shù) K 為 1.7、1.95、2.4;相鄰空巷跨度6.6m、8.7m時,頂煤最大集中應(yīng)力分別為10.3MPa、11 MPa。對比分析可知隨著空巷跨度的增大,頂煤集中應(yīng)力也越大;空巷跨度相同時,相鄰空巷數(shù)目越多,頂煤集中應(yīng)力越大。

        5 結(jié)束語

        1)望田舊采區(qū)域遺留的大部分空巷處于穩(wěn)定狀態(tài),隨著空巷跨度的增大,其頂板越容易產(chǎn)生裂隙,發(fā)生冒落及變形。2)空巷兩幫上方頂煤出現(xiàn)應(yīng)力集中,高于兩側(cè)實體煤區(qū)頂煤應(yīng)力;并且隨著空巷跨度的增大,頂煤集中應(yīng)力也越大,空巷跨度相同時,相鄰空巷數(shù)目越多,頂煤集中應(yīng)力越大。

        [1]張小強.厚煤層殘采后資源再回收的試驗與研究[D].太原:太原理工大學(xué),2011.

        [2]侯志鷹,王家臣.大同礦區(qū)“三硬”條件地表沉陷數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報,2007(3):236-238.

        [3]蔣坤,家林,朱衛(wèi)兵,等.條帶采寬對地表沉陷影響的數(shù)值模擬研究[J].礦山測量,2005(4):51-53.

        [4]李強.刀柱下復(fù)采工作面頂板活動規(guī)律探索[J].山西煤炭,2007,27(4):27-29.

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