松软破碎煤层综采放顶煤回采巷道布置优化

2013-07-30 13:55侯宪明
山西焦煤科技 2013年5期
关键词:进尺分布图底板

侯宪明

(大同鹊山高家窑煤业有限责任公司,山西 大同 037100)

1 工作面概况

五阳煤矿位于襄垣盆地东南部,属黄土丘陵地带,地形起伏较大,呈西高东低趋势,现采煤层为山西组3#煤层,其强度低(f=0.8 ~1.0),黏结力差,煤质松软,煤层平均厚度6.4 m,平均埋深400 m,目前开采7603工作面采用综采放顶煤开采法,回采巷道沿煤层底板布置,但由于煤层厚而松软破碎,回采巷道沿底板布置时,顶煤不易管理,存在顶煤随掘随冒的现象,单循环进尺只有0.8 m,日循环进尺8 m,大量时间花费在设备交替上,效率特别低。因此,现改用沿顶板掘进。

2 数值模型建立

根据五阳煤矿3#煤层7603工作面实际开采条件,采用美国大型岩土工程计算软件FLAC3D建立弹塑性材料模型,煤岩层物理力学参数见表1。

表1 煤岩层力学参数表

计算模型简化图见图1。

图1 计算模型简化图

由于计算机存储空间的限制并考虑到巷道的对称性,计算中取巷道的一半作为研究对象,网格剖分如图1,在x轴方向取15 m,y轴方向即巷道掘进方向取5 m,z方向取25 m。模拟采深400 m,即垂直应力取10 MPa,水平应力取垂直应力的一半5 MPa。

边界条件:

前后面y方向约束;

左面x方向约束;

底面z方向约束。

载荷条件:

顶面z方向施加10 MPa垂直向下的应力;

右面x负向施加5 MPa的水平应力。

3 回采巷道围岩变形破坏的理论分析

3.1 沿顶掘进

沿顶掘进时距掘进工作面0.5 m时的垂向应力分布图见图2。

图2 距掘进工作面0.5 m时的垂直应力分布图

由图2可以看出,巷道的顶底板出现拉应力,表现为正值,最大为9.7 ×104Pa,即0.097 MPa,最大的压应力14 MPa,在距腰1.2~2.4 m 处,此处为压应力核。巷道的顶底角也不同程度地出现了压应力的集中。

沿顶掘进时水平应力分布图见图3。

图3 距掘进工作面0.5 m时的水平应力分布图

从图3可以看出,水平方向的拉应力出现在巷道的两腰上,最大为0.038 MPa,其次在巷道的顶底角出现了压应力集中现象。

沿顶掘进时距掘进工作面0.5 m垂直于巷道掘进方向的围岩破坏状态图见图4。

图4 距掘进工作面0.5 m时围岩破坏状态图

由图4可以看出,巷道围岩的破坏面积与方式,顶板最大破坏深度为1 m,底板为1.2 m,两腰也为1.2 m。

沿巷道掘进方向围岩的破坏状态图见图5。

图5 沿巷道掘进方向围岩破坏状态图

从图5可以看出,掘进工作面前方的煤体在掘进过程中也发生了破坏,破坏范围基本与两腰相似。

3.2 沿底掘进

沿底掘进时垂向与水平应力分布状态图分别见图6,图 7。

图6 距掘进工作面0.5 m时的垂向应力分布图

图7 距掘进工作面0.5 m时的水平应力分布图

与沿顶掘进相比,其应力分布的规律几乎是一样的,但数值上有所变化,如两腰最大应力集中值,沿顶掘进时为12~13.9 MPa,沿底掘进时为 14~14.2 PMa。由此可以得出,沿顶掘进时两腰的压应力集中程度要比沿底掘进时小,但其差值并不是太大。可是由于围岩性质发生了变化,其承载能力也发生了变化,导致其破坏范围也发生了变化。

沿底掘进时围岩的破坏状态图分别见图8,图9。

图8 距掘进工作面0.5 m时围岩破坏状态图

从图8可以看出,在沿掘进工作面0.5 m时,其顶板的最大破坏深度为1.2 m,在沿掘进工作面2~3 m时其最大破坏深度为1.6 m。两腰的最大破坏深度为1.2 m。从图9可以看出,与沿顶掘进相比,其底板的破坏范围比较小,约为0.4 m,另外掘进工作面前方的破坏范围要比沿顶掘进时大。

图9 沿巷道掘进方向围岩破坏状态图

3.3 巷道布置与快速掘进优化

通过以上的数值分析可知:

回采巷道沿底掘进,由于煤层较软,存在随掘随冒现象,不仅掘进速度跟不上,而且支护也困难,锚杆的锚固段在松软的煤层中,其锚固力比较低,不能充分发挥锚杆的效应。

回采巷道沿顶掘进,解决了随采随冒的现象,顶板冒落的几率小,所以可以加大循环进尺,空顶距控制到2 m,即每掘进2 m,进行临时支护与永久支护,临时支护用单体液压支柱,一个班进行两个循环,即每班可掘进4 m,一日可掘进10 m,如每月按28个工作日算,月进尺为280 m,而原来日进尺为8 m,月进尺则为224 m,基本上实现了快速掘进。

4 结论

1)沿底掘进时回采巷道垂向与水平应力与沿顶掘进相比,其应力分布的规律几乎是一样的,数值上相差不大,可是由于围岩性质不同,导致沿底掘进破坏范围较大。

2)回采巷道沿顶掘进解决了随采随冒的现象,且易于支护。

3)沿顶掘进使月进尺由原来的224 m增加到了280 m,基本上实现了快速掘进。

[1]王金力.大断面煤巷快速掘进技术研究与探索[J].煤炭科学技术,2002(30):54-57.

[2]张宝明,陈炎光,涂永沂.中国煤矿高产高效技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001:34-42.

[3]赛云秀.现代矿山井巷施工技术[M].陕西:陕西科学技术出版社,2000:56-68.

猜你喜欢
进尺分布图底板
贵州十大地质公园分布图
开挖进尺对竖井开挖影响研究
中国癌症分布图
左右江水冲石器采集分布图
隧道循环进尺的极限平衡分析*
软土地基上超长底板节制闸沉降及应力分析
人生真相
岩堆体隧道洞口浅埋段开挖进尺的计算与分析——以云南麻昭高速公路赵家屋隧道为例
考虑钻头进尺影响的深水钻井水力参数优选
小型储罐原位置更换罐底板