煤矿专用充填巷合理位置确定及稳定性分析∗

匡 汉 彭杨皓 于 跃 杨 捷

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

煤矿专用充填巷合理位置确定及稳定性分析∗

匡 汉 彭杨皓 于 跃 杨 捷

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

研究了利用专用充填巷进行充填开采的工艺。根据理论计算确定专用充填巷应布置在裂隙带之中,并根据FLAC3D模拟和煤矿地质条件确定专用巷的具体位置及稳定性。结果表明,距离顶板18 m处岩层较稳定,岩层下沉较平缓较小,离工作面较近,向下打钻孔时经济合理,因此将专用充填巷布置在18 m处。理论分析、数值模拟结合现场地质条件确定专用充填巷位置的研究方法是一种行之有效的方法。

充填开采 专用充填巷 合理位置 数值模拟 稳定性分析

1 专用充填巷的提出

传统的充填管路布置是通过地面钻孔或者井筒下井后,沿运输巷布置在工作面后方,充填与开采在同一层面相互干扰,充填管路较长,料浆运输阻力大。在此背景下,提出采用专用充填巷解决上述问题,以提高充填开采能力。

新的充填工艺通过在煤层基本顶中掘进专门的充填巷道并利用充填巷道底板的钻孔从采空区的上方进行充填。即在工作面的上方稳定基本顶中掘进一条走向岩巷,井下的充填设备安装在基本顶岩巷中,在巷道底板走向方向布置3个钻孔,每个钻孔的方向不同,使每个钻孔的方向在工作面倾向方向上平均分布。在地面建立充填站,把砂子、粉煤灰、胶结料和水配制成膏体充填料浆,利用充填泵把膏体充填料浆通过充填管路由地面输送到井下工作面上方基本顶巷道中,实现采空区的充填和工作面的回采互不影响。其工作巷道及钻孔布置如图1所示。

图1 胶结充填工艺工作面意图

2 工作面概况

汾西矿业集团新阳矿2＃煤层位于山西组中下部,种类为焦煤,硬度较小,工作面上方有S340省道、孝柳铁路和村庄,必须进行充填开采。进行充填开采的10203工作面布置在2＃煤层,模拟试验的10203工作面平均开采深度200 m,煤层平均倾角6°,为近水平煤层,平均开采厚度2.33 m,上距1＃煤层8.03 m,工作面长度为100 m。该煤层伪顶为泥岩,直接顶为厚1.65 m黑色泥岩,基本顶为中砂岩、黑灰色砂岩;直接底为厚3.46 m黑色泥岩,含植物化石,致密性脆。10203工作面采用长壁式综采充填法采煤,示范工作面的采空区拟用矸石、粉煤灰与相关添加剂拌合后充填。

3 采空区上覆岩层冒落带、裂隙带厚度理论计算

通过矿压原理及实测研究,煤层开采后上覆岩层在垂直方向的破坏和移动一般分为“三带”(从下至上),即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。不同倾角、不同岩性的岩层及不同组合的覆岩,其移动规律及破坏规律是不同的。

3.1 冒落带厚度计算

冒落带是工作面回采后,采空区上覆岩层冒落充满采空区形成的。影响冒落带的因素除采高以外,还与岩石的碎胀系数有关。一般来说,岩石比较软时,岩石碎胀系数就小;岩石比较硬时,岩石碎胀系数就大。不同的岩石碎胀系数见表1。

表1 岩石碎胀系数表

根据相关文献冒落带最大厚度计算:

式中:H冒——冒落带的最大厚度,m;

∑m——采高,m;

α——煤层倾角,(°);

k——冒落岩层碎胀系数。

将10203工作面相关数据代入式(1),得工作面采空区冒落带最大厚度为8.09 m。

3.2 裂隙带厚度计算

冒落带与裂隙带之间并无严格的界线。根据我国各煤田的实测资料分析,这两带的总厚度一般为采出煤厚的9～35倍,裂隙带厚度更为精确的计算:

式(2)为《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程》中推荐的经验公式,其结果有一定的适应性,计算结果并不精确,因此结合实践经验公式(3)进行确定,并选择公式(2)、(3)中结果较大的值作为裂隙带的厚度,以提高裂隙带厚度计算的可靠性。

2＃煤层的厚度为2.33 m,代入式(2)和(3)计算得37.39 m和40.53 m,选取较大值。

根据理论计算得工作面采空区的冒落带最大厚度为8.09 m,裂隙带的厚度约40.53 m。根据现场实际经验可知三带理论计算结果一般偏大。因此,需要结合数值模拟结果,对冒落带、裂隙带做细致研究准确确定两带的厚度。

4 冒落带、裂隙带数值模拟分析

4.1 建立计算模型

充填开采引起的上覆岩层移动相当于经过充分压实后的充填体与顶板间距这个厚度的煤层被开采后所引起的岩层移动。这个厚度被定义为计算采高,因此,充填体充填开采上覆岩层移动规律可以用计算采高的垮落法开采进行预计。为了留有一定的安全系数,充实率按实际要求的最低水平85%计算,按相关文献提供的计算方法得计算采高为0.65 m。网格初始化主要考虑了研究区域的实际采矿地质条件,根据充填工作面的实际开采情况,确定模型尺寸为200 m×300 m×60 m。工作面沿X方向推进,连续推进长度为80 m;工作面倾向长100 m;同时把厚度较小但岩性相近的岩层划为同一层,模型共分10层,Z方向为60 m。采用分步开挖模拟试验,每步推进8 m,推进10步,总共推进80 m,即从X＝60 m推进到X＝140 m。模型计算采用莫尔－库伦(Mohr－Coulomb)屈服准则。模型中各煤、岩层的力学参数见表2。

表2 模型各煤、岩层力学参数

4.2 冒落带、裂隙带厚度的确定

工作面回采后,采空区上方首先出现的是拉应力,当顶板岩层中的拉应力超出岩体的抗拉强度时,顶板岩层出现拉应力破坏区,随着拉应力破坏区的不断扩大,最终引起顶板冒落形成冒落带;其次出现的是剪切破坏区,剪切破坏区的岩体由于主要受到剪应力的作用而产生横向或者竖向的裂纹,所以该区为裂隙带。

图2 工作面推进40 m和80 m模型状态

图2为工作面推进40 m和80 m模型状态,模拟结果可知工作面推进40 m时,工作面先出现拉应力破坏区无明显的剪应力破坏区;当工作面推进到80 m时,上覆岩层出现剪应力破坏区。通过网格高度判断冒落带的范围为工作面上方约7.2 m,裂隙带在7.2 m以上。岩石的抗拉强度一般为抗压强度的1/4～1/25,平均为1/10,所以在数值模拟过程中,工作面向前推进时先出现拉应力破坏区再出现剪应力破坏区,这与实际情况相符。由于上覆岩层受力的复杂性,导致模拟过程中局部地区也出现拉剪破坏或剪切破坏,拉剪破坏区并不连续。

5 专用充填巷位置的确定

由于理论计算结果通常比实际情况偏大,结合数值模拟结果,可将冒落带高度范围定为顶板以上7.2～10 m,裂隙带高度范围定为顶板11～40.53 m。为了确定专用充填巷布置在7 m以上的具体位置,布置一系列监测点监测。

5.1 监测点布置

为得到采空区中心上覆岩层随工作面推进过程的位移变化,沿煤层走向方向作剖面,如图3(a)所示,其中竖直方向监测线布置在采空区的中心,随工作面的推进而变化。在剖面竖直方向监测线上,距采空区上方6～30 m的范围内每3 m布置一个监测点,如图3(b)中圆点所在位置。

图3 监测线布置图

5.2 数据记录

当工作面推进8 m、16 m、32 m、64 m、80 m时,统计比较垮落法和充填法,采空区竖直中心线上各个监测点Z方向位移如图4和图5所示。

图4 垮落法开采时竖直监测点Z方向位移曲线图

图5 充填法开采时竖直监测点Z方向位移曲线图

当工作面推进80 m时,对比垮落法和充填法上覆岩层位移图可知,垮落法开采时最大下沉量为2 m;充填时最大下沉量为330 mm,顶板下沉减小了83.5%。充填法开采后,上覆岩层没有冒落带,只有裂隙带和弯曲下沉带,上覆岩层的位移明显减小。垮落法开采后,距顶板6～18 m处竖直方向位移差值为577 mm,距顶板18～30 m处竖直方向位移差值为105 mm,竖直方向位移差值减小了81.8%;充填法开采后,距顶板6～18 m处竖直方向位移差值为85 mm,距顶板18～30 m处竖直方向位移差值为32 mm,竖直方向位移差值减小了62.3%。分析上覆岩层位移差值变化,可知18 m以上竖直方向位移变化率明显趋于平缓,岩层受工作面扰动较小,因此选取距顶板18 m处掘专用充填巷。

6 专用充填巷稳定性分析

专用充填巷的稳定性主要从两方面考虑,一方面考虑充填巷在充填开采过程中应力变化,避免受较高支承压力的影响,同时避开卸压裂隙较发育区,使巷道位于矸石压实区上方;另一方面要考虑专用巷的位移变化,垂直方向位移变化太大,充填巷不稳定,充填设备安装、运行较困难,料浆的输送阻力增大,在满足巷道功能的前提下,尽量增大巷道与开采煤层的垂直距离,减小工作面推进影响。结合工作面的地质条件,分析了专用充填巷的稳定性。

6.1 应力分析

煤层开采后,由于采动覆岩的弯曲沉降运动,顶板中的巷道围岩会产生不同程度的、绝大多数由弱面和旧裂隙发展而成的采动裂隙。随工作面推进,采动裂隙发生变化,在煤壁支承区,巷道围岩产生的斜交裂隙因上部水平受拉和下部压缩而呈楔形;在覆岩离层区,巷道围岩产生水平离层裂隙,下部逐渐张开,呈倒楔形;在重新压实区,采动裂隙闭合。由此可知,顶板巷道剧烈变形主要发生在覆岩沉降及水平移动过程中,由覆岩移动变形作用和集中应力作用所致,对于FALC3D和理论分析出的结果要结合层面的地质构造情况做进一步论证。

由表2可知,10203工作面上18 m处的岩层为细砂岩,细砂岩坚硬抗压抗拉强度均较大,抗拉强度为4.11 MPa,抗压强度为28.2 MPa。充填开采时18 m处横剖面受采动影响较小,此平面主要受压应力作用,抗压强度为28.2 MPa,远大于此面上的最大压应力10.4 MPa,见图6,所以在细砂岩中开挖巷道是稳定的,岩巷不会破坏。另一方面,根据煤矿地质资料可知,专用充填巷距下方相邻泥岩有2.3 m的距离,专用充填巷的底部也是稳定的不会因岩层破坏而失稳。

图6 距顶板18 m横剖面垂直应力图

6.2 位移分析

下面只针对充填法开采进行研究,工作面推进80 m时,如图3所示在距顶板18 m处水平监测线上每10 m布置一个监测点,共布置21个监测点(图3水平方向监测线上X点所在位置)监测工作面走向Z方向位移,如图7所示。

图7 距顶板18 m水平监测点Z向位移图

从图7可以看出充填法开采时,随着距中心距离的增大,Z方向垂直位移逐渐减小,水平方向0～100 m距离内,垂直位移从245 mm减小到60 mm,单位距离垂直位移为1.85 mm,越靠近采空区中心线(图3中竖直方向监测线所在位置)Z方向位移越大,单位距离内的垂直位移下降越快。充填开采时,专用巷趋于均匀下沉和连续变形,能够有效地保证安装在专用巷内充填设备稳定,充填巷在竖直方向上下沉较均匀,充填管路起伏较平缓,料浆输送阻力也较小。

6.3 确定专用充填巷稳定性的措施

(1)选择合理专用巷开挖方案。避开采动覆岩活跃期,在上覆岩层移动稳定后掘进巷道,利于巷道维护;并根据巷道功能以及服务年限,选择合适的巷道断面及支护方案。

(2)提高专用巷围岩强度和支护结构稳定性。在回采工作面顶板的支承压力作用下,单一支护方式难以保证专用巷的稳定,采取多种支护方法来增强专用巷的稳定性。由于采动压力及其影响随着工作面推进而不断变化,剧烈影响范围和作用时间一般较短,所以一般采取在工作面剧烈影响区前方,在原支护方式基础上,提前增设加强支护的措施来抵抗动压的剧烈影响。

(3)加强专用巷关键区域的稳定性。底板是顶板巷道支护必须强化的关键区域,受下部工作面采动影响,顶板和两帮的下沉导致两帮围岩向巷道内移近,而且当底板为软弱岩层时两帮煤体可嵌入底板,因而加剧底鼓。底板的稳定有助于两帮的稳定,同时改善顶板受力状态,进而影响整个结构的稳定,底板不稳定时对底板采取措施增强其稳定性。

7 结论

(1)理论计算结合数值模拟确定了10203工作面冒落带和裂隙带的高度。冒落带高度范围为距顶板7.2～10 m处,裂隙带高度范围距顶板11～40.53 m。这与新阳矿相邻工作面的监测与实测数据相符合,进一步证明理论计算和数值模拟的可靠性。

(2)通过理论计算及数值模拟,确定了充填开采时顶板18 m处时下沉变化率较平缓,下沉最大位移小于158 mm,满足工程要求;另一方面,为使专用充填巷距采空区距离最短,向下打充填钻孔时经济,因此将充填巷布置在距顶板18 m处。

(3)通过对专用充填巷的稳定性分析,为复杂地质条件下合理布置专用充填巷提供了保证,增加了专用充填巷的适应性和可靠性。专用巷开挖过程中,应避开采动覆岩活跃期开挖巷道,尽量在上覆岩层移动稳定后掘进巷道,根据专用巷的使用时间来选择专用巷的支护方案、巷道断面大小。

(4)专用充填巷的具体位置的确定为新阳矿充填巷的优化提供了新的思路。理论分析、数值模拟和现场实测的研究方法为类似工程(煤矿专用充填巷、高位孔、高抽巷)提供了有效实用的工程判断和计算方法,具有一定的参考价值。

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Research on the reasonable location determining and stability analysis of the special filling roadway

Kuang Han,Peng Yanghao,Yu Yue,Yang Jie
(School of Resource and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

The author researched the backfill mining technology which took advantage of special filling roadway.On the basis of the oretical calculation,the special filling roadway should be set in the fissure zone;then according to the simulation of FLAC 3D and the geological conditions of coal mine,the specific location and stability of the roadway were confirmed.The research results showed that the rock stratum was more stable 18 m away from roof,where the values of strata subsidence was less and the location was closer to working face,so it was more economic and reasonable.The research method including theoretical analysis,numerical simulation and geological conditions research was an effective way to confirm the location of special filling roadway.

backfill mining,special filling roadway,reasonable location,numerical simulation,stability analysis

TD 355

A

匡汉(1988－),男,河南信阳人,中国矿业大学(北京)硕士研究生,主要从事充填开采与矿山压力方面的研究。

(责任编辑 张毅玲)

“十一五”国家科技支撑计划(2009BAB 48B02)