康國峰,劉建偉,徐 昕

(大同煤礦集團有限責任公司 國電同忻煤礦,山西 大同 037001)

隨著我國煤炭采掘技術的不斷進步,對以往較難開采資源的開采成為可能,其中就包括對孤島工作面煤炭資源的回收[1]。對孤島工作面煤炭資源的安全有效回收可以提高煤炭資源利用率,也可以有效提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。然而,孤島工作面的礦壓控制一直是難以回避的問題[2-3],對孤島工作面回采巷道的順槽支護問題尤為嚴重[4-6]。為了高效率地實現(xiàn)對孤島工作面的回采,本文對8102孤島工作面回風順槽的合理支護方案進行對比研究,選出合理支護方案,有效指導生產(chǎn)實際。

1 工程概況

同忻礦8102孤島工作面位于一盤區(qū)東側(cè),對應地面標高+1 225.1 m～+1 283.6 m,煤層底扳標高為+788 m～+792 m,工作面埋深為437.1 m～491.6 m,平均煤厚12.7 m,北部為8103面采空區(qū),南部為8101面采空區(qū)。孤島工作面布置見圖1。

圖1 8102孤島工作面布置示意圖

2 孤島工作面礦壓顯現(xiàn)特征

相比于正常工作面,回采孤島工作面時,由于兩側(cè)沒有支撐的工作面,煤巖體隨著采空區(qū)的不斷擴大而彎曲下沉速度明顯加快,離層導致的間隙更明顯。并且受工作面采動應力和工作面兩側(cè)采空區(qū)參與支承應力的疊加,巷道的礦壓顯現(xiàn)劇烈,變形量較大。巷道圍巖變化區(qū)域可分為:緩升區(qū)、升高區(qū)以及急升區(qū)。

針對孤島工作面的礦壓顯現(xiàn)特點,相應的圍巖控制技術也與普通巷道不同。通常情況下采用動態(tài)支護的手段對孤島巷道進行支護,即隨著圍巖應力的不斷變化,支護參數(shù)發(fā)生改變,進而使巷道變形得到有效控制。

3 數(shù)值模擬研究

基于同忻礦8102孤島工作面的巖層特征,對其頂?shù)装暹M行了巖石取樣,并在實驗室中進行了相應的巖石力學實驗,得出了頂?shù)装鍘r層的物理力學參數(shù),如表1所示。利用FLAC3D5.00軟件對8102孤島工作面回風順槽采用不同錨桿支護方案時的情況進行模擬,并對塑性區(qū)破壞形態(tài)和相關的圍巖變形狀況進行探討。

表1 8102面煤層頂?shù)装迕簬r力學參數(shù)

3.1 模型建立及開挖步驟

根據(jù)地層實際情況建立模型并且進行賦值,模型長×寬×高=400 m×200 m×100 m。模型共劃分1 262 580個單元,1 309 670個節(jié)點。模型煤層厚13 m,煤層頂板55 m,底板40 m。將模型的前、后、左、右、下都設定成固定邊界,在其上部施加4.93 MPa的垂直應力,模型示意圖如圖2所示。

2-a 數(shù)值模擬邊界條件

2-b FLAC3D生成模型

模型建好后首先開挖8101工作面和8102工作面運輸順槽以及回風順槽并支護,等順槽穩(wěn)定后(軟件運行收斂),再先后回采8103工作面和8102工作面,為了計算結(jié)果和實際情況相符,對開挖巷道周圍網(wǎng)格進行加密,確定最佳巷道支護參數(shù)。

3.2 模擬方案

8102面回風順槽為矩形斷面,高2.9 m,寬3.7 m。依據(jù)同忻礦的實際地質(zhì)情況,回風順槽共提出了六種支護方案,通過工程類比和數(shù)值模擬法對這六種方案進行對比,最終確定出較為可靠的兩種方案。這兩種方案的具體情況如表2所示。

表2 數(shù)值模擬方案表

3.3 8102回風順槽數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1相鄰工作面采動影響分析

1)方案一。建模期間,布置一測點在順槽,圖3顯示當8102工作面回風順槽采用方案一支護時8103工作面開采之后,8102工作面回風順槽測點在不同位置時巷道塑性區(qū)的分布。圖3-a顯示未受相鄰工作面采動影響時8102工作面回風順槽圍巖礦壓顯現(xiàn)較小,兩幫破壞深度0.5 m左右,小于錨桿錨固長度,可見錨桿起到了錨固作用,巷道底板破壞深度在0.7 m左右,巷道較為穩(wěn)定。圖3-b、3-c顯示測點位于8103工作面后方0 m、30 m時8102工作面回風順槽圍巖破壞程度與圖3-a基本相同,但在工作面后30 m時,回風順槽右?guī)推茐纳疃嚷杂性黾?巷道較為穩(wěn)定。由圖3-d、3-e、3-f可以看出,在距離8103工作面后方大于70 m時,回風順槽塑性破壞范圍顯著增加,當位于8103工作面后方170 m處時,塑性區(qū)范圍超出錨桿有效錨固范圍,巷道圍巖失穩(wěn)破壞。

圖3 測點位于相鄰工作面后方不同位置處巷道塑性區(qū)分布圖

2)方案二。圖4顯示當8102工作面回風順槽采用方案二支護時,相鄰8103工作面開采后8102工作面回風順槽測點不同位置時巷道塑性區(qū)分布。圖4-a顯示未受相鄰工作面采動影響時,8102工作面回風順槽圍巖較為穩(wěn)定,兩幫破壞深度0.5 m左右,小于錨桿錨固長度,可見錨桿起到了錨固作用,巷道底板破壞深度在0.35 m左右,巷道較為穩(wěn)定。由圖4-b、4-c、4-d、4-e、4-f可以看出,隨著相鄰8103工作面不斷的向前推進,工作面后方8102孤島工作面回風順槽塑性破壞范圍逐漸增大,但都在錨桿(索)的有效錨固范圍內(nèi),塑性區(qū)破壞深度相對較小,巷道圍巖穩(wěn)定。

圖4 8102工作面回風順槽測點不同位置巷道塑性區(qū)分布

3.3.2兩方案模擬結(jié)果對比分析

圖5為兩方案中頂?shù)装逡平侩S測點至相鄰工作面煤壁距離變化曲線圖,圖6為各方案中兩幫移近量隨測點至相鄰工作面煤壁距離變化曲線圖。

圖5 各方案中頂?shù)装逡平侩S測點至相鄰工作面煤壁距離變化曲線

圖6 各方案中兩幫移近量隨測點至相鄰工作面煤壁距離變化曲線

對比圖5和圖6可知:從兩幫的位移量方面來看,方案二能有效控制兩幫變形,兩幫位移量減小了48%;從頂?shù)装逡平糠矫鎭砜?方案二由于增強了支護體的強度,使得巷道底臌量相較于方案一來說,有了明顯減小。

由圖5和圖6可以分析得出:當8102工作面回風順槽采用方案二支護時,8102回風順槽在8103工作面前方60 m至后方40 m范圍內(nèi),回風順槽受明顯采動影響。

圖7為兩種方案支護條件下8102工作面回風順槽圍巖變形量柱狀對比圖。

圖7 各支護方案下8102工作面回風順槽圍巖變形量柱狀對比圖

由圖7可知,方案二能起到較好的支護效果,可以控制塑性區(qū)的范圍至合理區(qū)域,支護強度較大,產(chǎn)生了明顯的支護效果,故同忻礦8102工作面回風順槽應將方案二確定為初始支護方案。

3.3.3工作面回采時8102工作面回風順槽數(shù)值模擬分析

圖8為當8102工作面回風順槽采用方案二支護時,塑性區(qū)在工作面前方0 m、20 m、50 m的分布圖。

圖8 測點位于本工作面前方不同位置處巷道塑性區(qū)分布圖

圖8-a所示為8202工作面回采時,8102工作面回風順槽前方50 m處兩幫局部破壞深度為1 m左右,底板破壞深度為0.7 m左右,巷道較為穩(wěn)定。圖8-b顯示8102工作面前方20 m處回風順槽兩幫破壞深度為1 m左右,底板破壞深度為1 m左右,巷道開始受8102工作面超前壓力的影響,巷道較為穩(wěn)定。圖8-c表示的是當測點位于8102工作面處時,回風順槽右?guī)推茐姆秶^大,破壞深度達到1.5 m時,仍然處于錨桿有效錨固區(qū)內(nèi),巷道圍巖處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié)論

綜合以上數(shù)值模擬分析可知,采用方案二對8102孤島工作面回風順槽進行支護時,在本工作面及相鄰工作面采動影響下,順槽圍巖塑性區(qū)破壞范圍小,頂?shù)装寮皟蓭鸵平康玫捷^好的控制,可以滿足8102孤島工作面安全回采的要求,故可以作為該回風順槽的合理支護方案。但在實際應用中,要根據(jù)巷道圍巖的實際情況對數(shù)值模擬得出的支護方案加以驗證跟修正,實時觀察工作面回采過程中的礦壓變化規(guī)律,輔助模擬結(jié)果得出適合試驗工作面地質(zhì)條件的最優(yōu)支護方案。