东河煤矿切顶留巷参数模拟分析

2022-06-28 07:52宋振华

山西焦煤科技 2022年5期

宋振华

(山西煤炭运销集团能源投资开发有限公司, 山西太原 030500)

近些年来，沿空留巷技术逐步成为矿井开采的主要技术措施之一[1].在沿空留巷过程中，常采用顶板预裂法留巷，通过对顶板进行预裂，减小顶板压力，以达到无煤柱开采的目的[2-5].在进行切顶卸压过程中，不同切顶参数围岩控制程度也大不相同，所以需要对合理的切顶参数进行研究。本文以东河煤矿2206工作面为背景，利用数值模拟软件对沿空留巷无煤柱切顶留巷参数进行设计，以保证矿井高效开采。

1 模型建立

东河煤矿为太原煤炭气化(集团)有限责任公司下属煤炭企业，矿井生产能力为90万t/a，批准开采2#煤层，开拓方式为主斜副立。2206工作面位于碾沟村东北方向，地面主要为低级植被和灌木林。工作面对应地面位置无裂隙、塌陷。因此该工作面掘进时受大气降水、地表水的威胁较小。2206运输顺槽位于二采区西南部，工作面东北部为东大巷，东南部为未采实体煤，西北部为2208工作面，西南部为碾沟村保安煤柱。

2#煤层厚度约1.91 m，煤层倾角0～4°，顶底板岩性均为泥岩。2206上覆岩层依次为2 m砂质泥岩，4 m泥岩，1.3 m砂岩和7.21 m砂质泥岩，底板岩层为1.75 m泥岩和5.8 m细粒砂岩。利用FLAC3D数值模拟软件根据实际地质情况建立计算模型对切顶卸压留巷进行模拟研究，模型长200 m×宽350 m×高85 m，其中巷道开挖尺寸为100 m×200 m×2 m，模型选用摩尔-库伦模型为本构关系，设计巷道埋深为200 m，对模型进行网格划分，划分时在巷道周边进行细化分，在远离巷道的位置进行适当的粗划分，完成模型划分后对模型的物理属性进行设定，根据试验测得的物理参数进行设定，物理参数见表1.完成上述操作后对模型的边界条件进行设定，在模型的左右边界位置限定x方向的固定约束，前后边界设定y方向的约束条件，下部边界施加z方向的约束，同时对上部边界施加覆岩的均布自重载荷，完成模型的建立。

表1 物理参数表

2 模拟计算

2.1 切顶高度

分别对有切顶和无切顶两种情况下巷道围岩垂直应力分布情况进行分析，切顶前后巷道围岩变形云图见1.

由图1可以看出，无切缝条件下沿空留巷煤帮内出现明显的应力集中，此时的垂直应力最大值为17.8 MPa，应力集中位置距离巷帮约3.0 m，此时容易出现煤壁片帮等问题,不利于巷道稳定。当巷道进行切缝后，沿空留巷煤帮应力集中面积有了较大比例的缩小，垂直应力为12.1 MPa，集中位置距离巷帮约6 m，对巷道维护较为有利。

图1 切顶前后巷道围岩变形图

为分析切顶高度对沿空留巷矿压显现的影响，模拟切顶高度分别为6 m、7 m、8 m时围岩应力、位移情况，围岩应力、位移云图见图2.

图2 不同切顶高度时围岩应力、位移云图

对不同切顶高度的卸压效果进行分析，发现切顶高度对切顶效果影响较大。当切顶高度为6 m时，实体煤帮内部距巷帮约4 m位置出现应力集中，垂直应力最大值为13 MPa，最大位移量500 mm；切顶高度为7 m时，实体煤帮内部距巷帮约6 m位置出现应力集中，垂直应力最大值为12.1 MPa，最大位移量250 mm，对比切顶高度6 m，此时的应力集中向着实体煤帮进行转移；当切顶高度为8 m时，实体煤帮内部距巷帮约7 m位置出现应力集中，垂直应力最大值为11.9 MPa，最大位移量200 mm，应力集中位置进一步转移。可以看出切顶高度越大，出现应力集中位置距离巷帮越远，相对的对于巷道维护越有利，但切顶高度增大至一定程度后，切顶卸压效果逐步减弱，考虑到切顶高度越大，装药量越多，施工难度越大，综合对比得出当切顶高度为7 m时，有利于巷道围岩稳定，切顶高度最为合理。

2.2 切顶角度

对切顶角度进行模拟分析，模拟切顶角度分别为0°、15°、25°时围岩的应力、位移情况，围岩应力、位移云图见图3.

图3 不同切顶角度下应力位移云图

分析不同切顶角度下巷道围岩变形云图，可知当切顶角度为0°时，巷道顶板垂直位移较小，垂直应力仍然较高；当切顶角度为15°、25°时，采空区存在大面积低应力区，有利于顶板垮落，同时当切顶角度为0°、15°时，煤帮应力集中位置距离煤帮约6 m，而当切顶角度25°时，煤帮应力集中位置距离煤帮约4 m，应力集中位置向着煤深处转移。对比3种不同切顶角度下的垂直应力，垂直应力峰值分别为12.1 MPa、10.9 MPa、12.0 MPa，可以看出当切顶角度为15°时，垂直应力最小。3种切顶角度下巷道顶板垂直位移分别为250 mm、300 mm、500 mm，可知切顶角度越大，垂直位移越大，综合比较后得出切顶角度为15°是比较合理的。

3 结论