厚煤层采区巷道与工作面终采线合理间距的研究

贾双春

(1.中国矿业大学 (北京)资源与安全工程学院,北京100083;2.山西潞安环能股份公司王庄煤矿,山西长治046031)

在大多数煤矿的采区布置中,采区的准备巷道均布置在煤层中。因此,回采工作面终采线的合理确定,直接影响工作面的搬迁、煤炭资源采出率,以及工作面采区及周边巷道的安全维护。[1-3]分析上述原因可知,两侧工作面终采线位置是影响巷道变形的关键因素。因此,有必要对煤层大巷两侧的工作面终采线位置进行深入的研究。[4]

传统的工作面设计中,综放开采停采线位置,一般根据上 (下)山煤柱的尺寸,在设计时就已确定[5],将工作面终采线位置与采区巷道之间的距离定为固定值,以此固定值来确定回采工作面的终采线。在实际的煤矿生产中,均按此终采线作为工作面结采的依据[6]。但是这种终采线位置的确定方法,主要是依据的传统经验,没有充分考虑煤矿生产过程中的采动影响等因素。因此,确定合理的终采线位置,对于提高煤层巷道的稳定性具有重要的理论意义和工程使用价值。

1 工程概况及数值计算模型

1.1 工程概况

王庄矿区5218工作面北面是王庄煤矿的边界,南面是5212已采工作面,东接52采区皮带巷、52采区轨道巷和52采区专用回风巷,西接西回辕村庄煤矿。本工作面运巷可采长度为948m,风巷可采长度为948m,工作面切眼长度为241m。该工作面主采下二叠系山西组3#煤层,为陆相湖泊型沉积,煤层厚度稳定,煤层厚度为7.14m,容重

1.2 计算模型及力学参数

FLAC程序可以模拟弹性模型、摩尔-库伦准则、应变强化和应变软化模型等6种材料。本文主要采用数值模拟软件FLAC2D对王庄煤矿52采区的采动情况进行数值模拟,以判断工作面的采动对煤层巷道稳定性的影响,并最终选择合理的终采线位置。由于工作面推进长度范围较大,整个工作面在环向方向的变形相对很小,为了简化计算,应用平面应变模型假设,即垂直于计算剖面方向的变形为零。

在模拟过程中,取模型宽度为750m,高度为354.67m,从地面标高+634m一直模拟到地表+987.67m。模型共有130606个平面单元,单元的网格尺寸平均为2m×2m,局部为1m×0.5m及0.5m×0.5m。模型两侧限制水平方向移动,模型底部限制垂直方向的移动,故建立如图1所示的计算模型。

图1 工作面计算模型

由于煤体材料的黏聚力c对于煤炭材料的强度影响很大[7]。因此,在进行数值模拟计算过程中,岩体采用理想弹塑性本构模型-摩尔-库伦 (Mohr-Coulomb)屈服准则,煤体采用应变软化模型进行模拟计算。[8]根据现场地质调查和相关的试验研究提供的岩石力学试验结果,以及岩体力学参数具有较大的离散型等特点。因此,在数值计算中所采用的岩土体的物理力学参数见表1。

表1 岩土体力学参数取值表

2 数值计算结果分析

2.1 应力分析

2.1.1 围岩最大主应力场分析

表2对工作面前端煤柱的最大主应力峰值进行了统计,从表中可以看出,当工作面推进到430m(距离采区回风大巷70m)时,工作面前端煤柱的承载能力逐渐增加且达到峰值,说明煤柱的承载能力良好。但是,当工作面继续推进到436m(距离采区回风大巷64m)时,煤柱的最大主应力峰值逐渐降低,这说明煤柱逐渐失稳,三条大巷的稳定性存在隐患。工作面前端煤柱的最大主应力峰值曲线,如图2所示。2.1.2 煤柱应力场分析

表2 工作面前端煤柱的最大主应力峰值统计表

图2 工作面前端煤柱最大主应力峰值曲线

图3、图4分别给出了随着工作面的不断向前推进,工作面前端煤柱的垂直应力 (SYY)和水平应力 (SXX)的分布曲线。从曲线图中可以看出,在工作面的不断向前推进过程中,工作面两端始终存在着应力集中现象,同时煤柱内的应力峰值总是出现在靠近工作面的一侧。

图5、图6分别给出了工作面前端煤柱内的应力峰值与工作面推进长度的关系曲线图。从图中可以看出,随着工作面的不断向前推进,在工作面推进到370m以前,煤柱内的应力增长比较缓慢,而当工作面推进到430m以后,工作面前端煤柱的应力急剧增加;当工作面推进到436m以后,工作面前端煤柱的应力集中系数减小,煤柱的承载能力减弱。

通过对5218工作面终采线与回风大巷之间煤柱的应力分析可以得知,52采区5218工作面终采线与回风大巷之间的安全距离要大于64m,煤柱才能起到很好的保护作用。

2.2 巷道破坏场分析

图7、图8和图9分别给出了工作面不同推进长度下围岩的破坏场分布已经巷道的破坏场分布。从图中可以看出,随着工作面的不断向前推进,围岩的破坏场范围逐渐增加。当工作面推进到250m时,工作面开采所引起的扰动逐渐扩散到上部覆岩;当工作面继续推进到430m时,工作面上部覆岩的破坏范围进一步扩大,与地表岩层的破坏相连通,出现大范围的破坏;当工作面继续推进到450m时,工作面前端煤柱的破坏范围与巷道围岩的破坏连通,将对巷道的稳定性产生极大的破坏。

根据以上对煤柱破坏场的分析,确定5218工作面终采线位置与回风大巷之间的距离要大于50m,此时的煤柱尚具有一定的承载能力,对三条大巷具有一定的保护作用。

2.3 巷道位移场分析

煤层三条大巷的稳定性,可以通过巷道产生的位移量进一步说明。通过比较巷道顶、底板以及巷道两帮的位移方向 (见图10、图11)可以看出:随着工作面的不断向前推进,巷道的位移方向由向左下为主逐渐转变为向右下为主,位移方向的变化使得巷道的稳定性进一步下降。

图3 工作面前端煤柱水平应力曲线

图4 工作面前端煤柱水平应力曲线

图5 工作面前端煤柱水平应力峰值图

图6 工作面前端煤柱垂直应力峰值图

图7 工作面推进250m围岩破坏场分布图

图8 工作面推进430m围岩破坏场分布图

图9 工作面推进450m围岩破坏场分布图

图10 工作面推进370m巷道位移矢量方向

图11 工作面推进450m巷道位移矢量方向

随着工作面的不断向前推进,各巷道所产生的位移量逐渐增加,特别是当工作面推进至416m以后,巷道的位移矢量方向发生了逆转,这将对巷道的稳定性产生重大的影响。而在工作面推进至450m时,巷道的位移量产生了突变,这说明巷道将彻底地失稳,回风巷道的位移量见表3。

综上对巷道的位移场分布可知,当5218工作面的终采线与回风大巷之间的距离为50m时,回风大巷的位移量急剧增加,逐渐表现出失稳的特征。因此,当5218工作面的终采线位置与回风大巷的距离大于50m时,就可以保证三条大巷的稳定。

表3 回风大巷的位移量统计表

3 结论

通过对采区大巷两侧工作面回采影响的分析,可以得到以下结论:

1)工作面在推进过程中,三条巷道的变形速度加快,使得巷道的位移量明显加大。

2)巷道各项位移量主要以水平位移位置,且在工作面不断向前推进的过程中,巷道位移的矢量方向发生了大的逆转。

3)综合考虑巷道围岩应力的变化以及三条大巷的位移变化情况,在工作面推进过程中,要及时对三条大巷进行二次支护。同时,5218工作面的终采线位置与采区回风大巷之间的距离,应保持在70～80m左右。定 [J].煤炭科学技术,2008,36(6):36-38.

[2] 査文华,谢广祥,华心祝,等.综放采场走向压力分布规律及终采线位置确定 [J].煤炭科学技术,2007,35(4):12-15.

[3] 刘保宽,吴吉南,朱建明,等.安家岭二号井B402工作面终采线位置合理确定 [J].煤炭科学技术,2008,36(12):12-18.

[4] 张向阳,涂敏,徐乃忠.动压下底板大巷围岩应力分析及合理终采线研究 [J].采矿技术,2006,6(3):311-314.

[5] 曹胜根,刘长友,韩强,等.综放面合理终采线位置的确定 [J].矿山压力与顶板管理,1998(4):59-61.

[6] 李洪武,李晋平,李海忠.合理动态终采线位置的确定[J].煤,1994,3(2):17-18.

[7] 朱建明,彭新坡,姚仰平,等.SMP准则在计算煤柱极限强度中的应用 [J].岩土力学,2010,31(7):2987-2991.

[8] 冯锦艳,朱建明.露天-井工联采边坡井工与边坡合理位置的数值模拟研究 [J].中国矿业,2008,17(10):86-89.