摘要:针对深井大采高近距离煤层蹬空开采条件下工作面开采时留设不同尺寸护巷煤柱时底板应力传递规律以及对底板大巷的影响问题,本文以丁集煤矿1282(3)工作面为工程背景,采用FLAC3D数值模拟的方法对此问题进行研究。模拟得出当留设240m护巷煤柱时,大巷左帮的垂直应力开始增加;当留设180m护巷煤柱时,采动侧巷帮的塑性区由3.2m逐渐发展至5.3m,底板塑性区由3.6m发展至6.2m。现场实测得出当工作面距大巷179m左右时,顶底板及两帮移近速率显著增加,开始对大巷产生影响,与数值模拟结果基本相符。本研究对类似矿井工作面开采和巷道支护设计具有重要的理论意义和工程借鉴意义。
关键词:蹬空开采;护巷煤柱;底板应力;塑性区
中图分类号:TD322 文献标识码:A
1引言
煤矿进入深部开采以后,巷道处于高地应力、高地温、高渗透压以及强时间效应的复雜地质环境中支护困难变形严重[1-3]。同时,我国煤层赋存条件复杂,往往需要在采空区上方进行采掘活动,即蹬空开采。
近年来我国学者对煤矿开采时底板应力的传递特征及底板大巷变形特征做了大量的研究工作。孟祥瑞等[4],建立了底板任意一点应力计算的弹性力学模型,结合莫尔-库伦准则给出了底板岩体破坏的判据;王连国、张华磊[5-7]等推导出底板垂直应力的迭代计算式,得出底板各岩层垂直应力等值线呈椭圆形,浅部岩层等值线梯度较大,深部岩层等值线梯度较小的结论;张学臣[8]等指出在底板巷道受到采动影响时,巷道的顶底板位移要小于两帮的位移;杭涛[9]提出采动引起底板巷道垂直应力变化幅度大,是导致巷道破坏变形的主要因素。但是,对深井大采高近距离煤层蹬空开采这一综合因素影响下底板应力传递规律及底板巷道破坏特征研究不足。
本文以丁集煤矿1282(3)蹬空开采工作面为工程背景,采用数值模拟的方法对深井大采高近距离煤层蹬空开采这一综合因素影响下底板应力传递规律及底板巷道破坏特征进行研究,设计出控制底板大巷变形的合理护巷煤柱尺寸,并通过现场实测分析,对模拟结果的可靠性及合理性进行验证。
2工程概况
1282(3)工作面为蹬空开采,开采13-1煤,煤层底板标高-790~-825m,工作面面长185m,整体煤岩层倾角0~10°,平均3°,煤层平均厚度4.1m,工作面伪顶为泥岩,厚度0~1.2m,直接顶为1.1~7.5m的泥岩,老顶为8~17.7m的砂质泥岩;直接底为0.3~1.6m的泥岩,老底为3~7.3m的砂质泥岩。下部为已采1422(1)工作面,1422(1)工作面开采11-2煤,煤层平均煤厚2.5m,煤层倾角0~6°,平均2°,直接顶、直接底均为砂质泥岩或泥岩。1282(3)工作面收作位置距西一13-1轨道大巷水平距离平均198m,垂直距离66m左右,故验选取西一13-1采区轨道大巷为研究对象。巷道布置及相互位置关系如图1所示。
3数值模拟分析
3.1 数值模型的建立
以1282(3)工作面的采掘工程情况为背景,采用FLAC3D软件建立数值计算模型。模型尺寸x×y×z=480m×300m×200m,采用摩尔-库仑计算准则,模型煤岩物理力学参数如表1所示。在模型初始平衡后,先开挖1422(1)工作面,并按实际留设煤柱,再分步开挖13-1煤。
3.2 1282(3)工作面开采不同尺寸护巷煤柱对大巷影响
(1)护巷煤柱留设方案
护巷煤柱留设尺寸分别选择300m、240m、180m、150m、120m、90m和60m。
(2)模拟结果分析
大巷开挖以后,水平应力在底板出现集中现象,1422(1)工作面开采以后,其有所减小;1282(3)工作面开采时,当留设的护巷煤柱尺寸大于300m时,底板的水平应力略有升高,随着护巷煤柱尺寸的减小,底板的水平应力开始减小;在护巷煤柱尺寸为150m时,底板的水平应力又出现增加的趋势,当护巷煤柱尺寸为90m时,工作面对应段的大巷底板水平应力开始减小,工作面附近侧面煤柱对应段的大巷底板水平应力继续增加。
大巷开挖以后,其顶底和两帮的塑性区为2.5m左右,随着1422(1)和1282(3)工作面开采,巷道的塑性区范围逐渐增大;1282(3)工作面开采过程中,当留设的护巷煤柱尺寸大于180m时为宜,塑性区变化不大;当留设180m护巷煤柱时,巷道塑性区范围开始增大,具体表现在采动侧巷帮的塑性区由3.2m逐渐发展至5.3m,底板塑性区由3.6m发展至6.2m,巷道右帮和顶板的塑性区范围保持在3.2~3.5m。
3.3合理方案确定
由模拟结果综合分析得出当留设180m护巷煤柱时,大巷开始受到采动影响,巷道变形主要受其围岩应力影响,再结合现场测得的巷道变形对围岩应力变化和采动影响的敏感程度,确定1282(3)工作面开采时留设180m护巷煤柱。
由图4~图5可以看出当工作面推到距离大巷179m左右时开始对大巷产生影响,且由于4#和5#测点离工作面相对较近其变形速率要远大于其他几个测点。
5结论
(1)通过数值模拟研究丁集煤矿1422(1)工作面开挖对西一13-1采区轨道大巷应力状态及塑性区发育的影响,得出开挖停采线距离大巷的水平距离为198m时,1422(1)工作面开采对西一13-1轨道大巷基本不产生影响。
(2)通过数值模拟研究在深井大采高近距离煤层蹬空开采这一综合因素影响下1282(3)工作面开挖对巷道围岩应力及变形的影响规律,得出当留设240m护巷煤柱时,大巷左帮的垂直应力开始增加;当留设的护巷煤柱尺寸大于180m时,塑性区变化不大;当留设180m护巷煤柱时,采动侧巷帮的塑性区由3.2m逐渐发展至5.3m,底板塑性区由3.6m发展至6.2m,巷道右帮和顶板的塑性区范围保持在3.2~3.5m。
(3)由模拟结果再结合现场测得的巷道变形对围岩应力变化和采动影响的敏感程度,确定1282(3)工作面开采时留设180m护巷煤柱为宜。
(4)现场实测得出当工作面推到距离大巷179m左右时,各测点的顶底板及两帮移近速率显著增加,开始对大巷产生影响,与数值模拟结果基本相符。
参考文献
[1]何满潮,谢和平,彭苏萍,姜耀东.深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报,2005,16:2803-2813.
[2]崔洪章.深部巷道围岩变形破坏特征模拟研究及控制技术[D].太原理工大学,2013.
[3]刘泉声,张华,林涛.煤矿深部岩巷围岩稳定与支护对策[J].岩石力学与工程学报,2004,23(21):3732-3737
[4]孟祥瑞,徐铖辉,高召宁,王向前.采场底板应力分布及破坏机理[J].煤炭学报,2010,11:1832-1836.
[5]王连国,韩猛,王占盛,欧苏北.采场底板应力分布与破坏规律研究[J].采矿与安全工程学报,2013,03:317-322.
[6]张华磊,王连国.采动底板附加应力计算及其应用研究[J].采矿与安全工程学报,2011,02:288-292+297.
[7]张华磊.采场底板应力传播规律及其对底板巷道稳定性影响研究[D].中国矿业大学,2011.
[8]张学臣,李大勇,陈士海,李德胜,范德伟.跨采巷道的围岩稳定性预测与控制[J].采矿与安全工程学报,2008,03:361-365.
[9]杭涛.采动对底板巷道的动态影响分析[D].安徽理工大学,2010.
作者简介:周敏,男,汉族,1985年9月生,安徽和县人,安徽理工大学工程硕士,淮沪煤电丁集煤矿工程师。
(作者单位:淮沪煤电丁集煤矿)