李永明劉長(zhǎng)友王 曉姬王鵬

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221008;2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037003)

急傾斜煤層充填開(kāi)采區(qū)段平巷圍巖穩(wěn)定性模擬研究＊

李永明1,2劉長(zhǎng)友1王 曉1姬王鵬1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省徐州市,221008;2.山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037003)

基于龍湖煤礦的水文地質(zhì)和開(kāi)采技術(shù)條件,采用離散元數(shù)值計(jì)算軟件Udec2D,分析了急傾斜煤層仰斜開(kāi)采在采空區(qū)不充填、部分充填和整體充填不同頂板控制方式下,以及不同充填體強(qiáng)度對(duì)區(qū)段運(yùn)輸平巷圍巖穩(wěn)定性的影響,研究表明:采空區(qū)不進(jìn)行充填,區(qū)段平巷變形最大;部分充填和整體充填均隨著充填體強(qiáng)度的增加,區(qū)段平巷變形呈降低趨勢(shì),且整體充填頂板控制效果顯著高于部分充填。同時(shí),整體充填效果優(yōu)于部分充填?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果基本相符。

水體下采煤 急傾斜煤層 矸石充填 控頂方式 圍巖穩(wěn)定性

龍湖煤礦南二采區(qū)可采煤層8層,均為急傾斜薄及中厚煤層,上覆廢棄小窯內(nèi)含有大量積水并與地表水形成水力聯(lián)系,煤層回采后,頂板大面積懸空,為了確保煤層的安全回采,南二采區(qū)急傾斜煤層首采面均采用充填開(kāi)采。

急傾斜煤層采空區(qū)矸石充填技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、充填材料豐富、減少矸石出井和保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),且可以有效降低覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度和減小防水煤柱的塑性區(qū)變形,已被許多礦井使用,但急傾斜煤層充填開(kāi)采對(duì)區(qū)段平巷圍巖的控制效果等研究尚有待完善。本文從礦山壓力顯現(xiàn)的角度,采用離散元數(shù)值計(jì)算軟件Udec2D 3.10分析水體下急傾斜煤層開(kāi)采采空區(qū)不充填、部分充填和整體充填不同頂板控制方式以及不同充填體強(qiáng)度對(duì)區(qū)段回風(fēng)平巷圍巖變形的影響,為急傾斜煤層開(kāi)采采空區(qū)矸石充填技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 急傾斜煤層賦存及開(kāi)采技術(shù)條件

48#煤層為南二采區(qū)首采煤層,首采工作面埋深320～400 m,煤層平均厚度0.7 m,平均傾角63°,頂?shù)装寰鶠閳?jiān)硬砂巖層或粉砂巖。48#煤層采用分帶仰斜采煤方法,首采分帶走向長(zhǎng)度25 m,傾斜推進(jìn)長(zhǎng)度80 m,分帶之間留設(shè)5 m保護(hù)煤柱。工作面采用爆破落煤,木支柱支護(hù),間排距1.0 m×1.0 m,上下巷均為半圓拱形,巷道寬度3.6 m,直墻邊高2.0 m,采用錨桿+錨索配合木板進(jìn)行聯(lián)合支護(hù),如圖1所示。為了保證48#煤層水體下煤層的安全回采,急傾斜煤層采空區(qū)采用矸石自溜充填進(jìn)行頂板控制,當(dāng)工作面回采相鄰第二分帶時(shí),對(duì)已采首采分帶進(jìn)行矸石自溜充填。

1-運(yùn)輸巷道;2-回風(fēng)巷道;3-切眼;4-進(jìn)風(fēng)上山;5-回采工作面;6-臨時(shí)支柱;7-作業(yè)平臺(tái);8-回風(fēng)上山;9-安全出口;10-橫向平板;11-放煤倉(cāng)口;12-煤柱;13-擋矸板;14-防滑裝置;15-防滑木;16-巷道煤柱;17-密閉;18-調(diào)節(jié)風(fēng)窗;19-刮板輸送機(jī)

2 急傾斜煤層巷道圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

以48#煤層工作面地質(zhì)條件和開(kāi)采技術(shù)條件為依據(jù),采用離散元數(shù)值計(jì)算軟件Udec2D 3.10進(jìn)行模擬研究。模擬模型范圍80 m×160 m(長(zhǎng)×高),采用圍巖本構(gòu)關(guān)系為莫爾-庫(kù)侖模型,模型采用應(yīng)力-變形混合邊界,上表面施加均勻的垂直壓應(yīng)力,兩側(cè)面施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力,數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)值計(jì)算力學(xué)模型

2.2 煤巖層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)48#煤層的地質(zhì)條件,模擬煤巖層的力學(xué)性質(zhì)如表1所示。同時(shí),巷道周圍布置3條測(cè)線,用于觀測(cè)不同回采距離區(qū)段平巷圍巖的變形特征。

表1 煤巖層力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值計(jì)算方案

考慮經(jīng)濟(jì)等方面的因素,許家林教授等提出了煤礦部分充填開(kāi)采技術(shù)的概念,通過(guò)減少充填材料的用量來(lái)降低充填成本。為了研究急傾斜煤層開(kāi)采采空區(qū)不充填、部分充填和整體充填不同頂板控制方式以及充填體強(qiáng)度對(duì)區(qū)段運(yùn)輸平巷穩(wěn)定性的影響,數(shù)值計(jì)算采用3種方案。

(1)采空區(qū)不充填:48#煤層工作面回采后采空區(qū)不進(jìn)行充填。

(2)部分充填:48#煤層回采后,僅充填工作面下部距開(kāi)切眼距離40 m范圍,充填體的彈性模量分別為0.1 GPa、0.5 GPa和1 GPa。

(3)整體充填:48#煤層回采后,對(duì)整個(gè)采空區(qū)80 m范圍進(jìn)行充填,充填體的彈性模量分別為0.1 GPa、0.5 GPa和 1 GPa。

3 不同控頂方式巷道圍巖穩(wěn)定性

急傾斜煤層開(kāi)采采空區(qū)不充填、部分充填和整體充填頂板控制方式以及充填體的強(qiáng)度,均對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性有影響,下面對(duì)3種方式進(jìn)行研究。

3.1 采空區(qū)不充填巷道圍巖變形

圖3 采空區(qū)不充填區(qū)段回風(fēng)平巷圍巖變形

48#煤層工作面回采后采空區(qū)不進(jìn)行充填,巷道圍巖變形如圖3所示;巷道上幫、底板和下幫變形隨工作面回采距離的變化分別如圖4～圖6所示。

圖4 采空區(qū)不充填不同回采距離巷道上幫變形

從圖4中可知,不同回采距離巷道上幫在距底板0.6～0.9 m范圍內(nèi)圍巖變形量均產(chǎn)生突變,距底板0.9 m以上圍巖變形略大,其中工作面推進(jìn)距離為70 m時(shí)突變最大,其值為2.249mm,工作面推進(jìn)50m范圍內(nèi),巷道上幫變形量很小,僅在距巷道底板0.9 m以上產(chǎn)生1mm的變形。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn),上幫變形急速增大,當(dāng)工作面回采至60 m和70 m時(shí),上幫變形量為3.3mm和12.09mm,工作面回采結(jié)束(推進(jìn)80 m),巷道上幫變形量最大為22.48mm。

圖5 采空區(qū)不充填不同回采距離巷道底板變形

圖5為48#煤層采空區(qū)不充填時(shí)不同回采距離巷道底板變形量,可以看出,工作面推進(jìn)40 m范圍內(nèi),底板變形較小,底板變形量最大為2.2mm。當(dāng)工作面回采結(jié)束時(shí)(推進(jìn)80 m),巷道底板變形最大為21.4mm,變形在上幫底角處。

圖6 采空區(qū)不充填不同回采距離巷道下幫變形

圖6為48#煤層采空區(qū)不充填巷道下幫變形,工作面推進(jìn)80 m過(guò)程中,巷道下幫變形較小,最大變形位于距底板2 m處僅6.88mm。隨著距巷道底板高度的增大,0～0.2 m范圍內(nèi),巷道下幫圍巖變形開(kāi)始增加,0.2～0.6 m范圍內(nèi),圍巖下幫變形基本保持不變,在0.7～0.9 m范圍內(nèi),圍巖下幫變形較小。

3.2 采空區(qū)部分充填巷道圍巖變形

48#煤層工作面回采后,采空區(qū)部分充填不同強(qiáng)度充填體后,巷道上幫、底板和下幫變形分別如圖7～圖9所示。

圖7 部分充填不同充填體強(qiáng)度上幫變形

由圖7可知,48#煤層采空區(qū)部分充填隨著充填體強(qiáng)度的增加,巷道上幫的變形量呈降低趨勢(shì)。巷道上幫距底板1.1～2.0 m范圍內(nèi),充填體彈性模量0.5 GPa和1 GPa時(shí),上幫變形比0.1 GPa時(shí)降低了3.19%和9.26%;巷道上幫距底板0～0.5 m范圍內(nèi),上幫變形分別降低了2.66%和10.1%。因此,提高充填體的強(qiáng)度可以降低上幫的變形。

由圖8可知,部分充填不同充填體強(qiáng)度底板變形相差不大,最大變形在13～15mm之間,位于上幫底角處,采空區(qū)部分充填時(shí)不同范圍底板變形不同,在底板距上幫底角0～1.2 m范圍內(nèi)底板變形呈降低趨勢(shì),1.2～2.4 m范圍內(nèi)變形保持緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),2.4～3.2 m范圍內(nèi)變形略有降低。

由圖9可知,隨著充填體強(qiáng)度的增加,采空區(qū)部分充填巷道下幫變形量呈降低趨勢(shì)。彈性模量為0.1 GPa時(shí),巷道下幫底角處變形量為3.943mm,當(dāng)充填體彈性模量增加到0.5 GPa和1 GPa時(shí),變形量分別降低了9.8%和14.5%。距底板高度不同,采空區(qū)部分充填下幫變形也不同,在0～0.6 m范圍內(nèi)下幫變形量最大,0.6～1.0 m范圍內(nèi)發(fā)生突變,1.0～1.8 m范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,1.8～2.0 m范圍內(nèi),下幫變形量又有所降低,隨著距底板高度的再增加,巷道下幫變形量繼續(xù)降低,充填體彈性模量分別為0.1 GPa、0.5 GPa和1 GPa時(shí),巷道下幫距底板2.0 m處的變形量分別為下幫底角即0 m處的51.4%、45.4%和45.3%。

3.3 采空區(qū)整體充填巷道圍巖變形

48#煤層工作面回采后采空區(qū)整體充填區(qū)段回風(fēng)平巷變形如圖10所示;巷道上幫、底板和下幫變形分別如圖11～圖13所示。

由圖11可知,不同充填體強(qiáng)度整體充填巷道上幫變形均在距底板0.5～1.1 m之間發(fā)生突變,1.1～2.0 m之間上幫圍巖變形較大。隨著充填體彈性模量的增加,采空區(qū)整體充填上幫變形也呈降低趨勢(shì)。距底板1.1～2.0 m范圍內(nèi),上幫變形充填體彈性模量0.5 GPa和1 GPa比0.1 GPa分別降低了11.3%和26.4%,0～0.5 m范圍內(nèi),分別降低了15.6%和33.3%。因此,提高充填體的強(qiáng)度可以有效降低巷道上幫的變形。

由圖12可知,隨著充填體彈性模量的增加,整體充填巷道變形呈降低趨勢(shì)。充填體彈性模量為0.1 GPa時(shí),巷道底板左側(cè)底角處變形量為12.34mm。當(dāng)充填體彈性模量為0.5 GPa和 1 GPa時(shí),巷道底板變形量分別為 10.56mm和9.26mm,降低了14.42%和24.96%。整體充填巷道變形在不同位置有所不同,在0～0.4 m范圍內(nèi),巷道的變形量增加,0.4～3.2 m范圍內(nèi)變形量呈降低趨勢(shì),即隨著遠(yuǎn)離上幫底板變形呈降低趨勢(shì)。

對(duì)比48#煤層采空區(qū)整體充填和部分充填巷道下幫變形,采空區(qū)整體充填和部分充填下幫變形趨勢(shì)、變形量均接近,最大變形量為4mm,見(jiàn)圖13。因此,采空區(qū)進(jìn)行部分充填和整體充填對(duì)巷道下幫的變形影響不大。

3.4 不同控頂方式巷道變形量對(duì)比

48#煤層工作面回采后采空區(qū)不充填、部分充填和整體充填巷道上幫、底板和下幫變形對(duì)比如圖14所示,其中充填體的彈性模量均為0.5 GPa。

從圖14可知,48#煤層開(kāi)采后采空區(qū)部分充填和整體充填均能降低巷道圍巖變形;采空區(qū)不進(jìn)行充填時(shí),區(qū)段平巷上幫和底板變形較大,最大值達(dá)到20mm以上,而下幫采空區(qū)不充填時(shí)變形最大為6.88mm;采空區(qū)部分充填對(duì)巷道底板和下幫的影響較大,分別降低了45.1%和42.6%,而上幫僅僅降低26.6%;整體充填對(duì)巷道上幫影響明顯,上幫變形整體充填比部分充填降低了21.5%,而底板和下幫變形整體充填和部分充填基本相等。

圖14 采空區(qū)不同控頂方式圍巖變形對(duì)比

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了水體下急傾斜煤層的安全回采,現(xiàn)場(chǎng)48#煤層采用采空區(qū)整填充填頂板控制方式。結(jié)合對(duì)區(qū)段平巷圍巖變形的要求等綜合考慮,現(xiàn)場(chǎng)選擇充填體的強(qiáng)度為0.5 GPa。在48#煤層工作面回采和充填期間,采用“十字觀測(cè)法”對(duì)巷道兩幫變形進(jìn)行觀測(cè),見(jiàn)圖15。

圖15 48煤層區(qū)段平巷兩幫移近量

由圖15可知,隨著工作面回采距離的增加,巷道兩幫的變形逐漸增大。當(dāng)工作面推進(jìn)60 m,即區(qū)段平巷距工作面煤壁20 m范圍時(shí),圍巖變形為受采動(dòng)影響的區(qū)域,兩幫移近量開(kāi)始增大。當(dāng)工作面推進(jìn)70 m,即區(qū)段平巷距煤壁10 m為明顯影響區(qū),工作面推進(jìn)至70～80 m范圍內(nèi)巷道圍巖變形為顯著影響區(qū),圍巖變形量顯著增大,兩幫累計(jì)移近量最大達(dá)到16.5mm。隨后對(duì)48#急斜煤層工作面回采后采空區(qū)進(jìn)行整體充填,巷道兩幫變形基本保持17～18mm之間,與采用數(shù)值計(jì)算得出的巷道兩幫變形量13～16mm相近,理論與實(shí)際相符合。

5 結(jié)論

(1)隨著工作面回采距離的增加,急傾斜煤層區(qū)段平巷圍巖變形呈增長(zhǎng)趨勢(shì),并且回采距離60 m、距煤壁20 m范圍內(nèi)為受采動(dòng)影響的區(qū)域,10 m范圍為明顯影響區(qū),圍巖變形迅速增大。

(2)急傾斜煤層采空區(qū)不充填,區(qū)段回風(fēng)平巷上幫和底板變形較大,最大值達(dá)到20mm以上,下幫變形相對(duì)較小,僅為6.88mm。采空區(qū)采用部分充填和整體充填,均能有效降低區(qū)段平巷圍巖變形,并隨著充填體強(qiáng)度的增加,區(qū)段回風(fēng)平巷圍巖變形呈降低趨勢(shì),采空區(qū)部分充填對(duì)巷道底板和下幫影響較大,整體充填對(duì)巷道上幫影響較明顯。

(3)采空區(qū)充填和不充填條件下,巷道上幫上部變形大于下部,因此,建議現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)在上幫中部加設(shè)支護(hù),防止圍巖產(chǎn)生較大變形,同時(shí),下幫和底板變形也呈現(xiàn)出明顯的區(qū)間性。

(4)急傾斜煤層采空區(qū)充填也影響區(qū)段運(yùn)輸平巷的圍巖變形,由于采空區(qū)進(jìn)行充填,運(yùn)輸平巷圍巖變形量也較小,從而可以將運(yùn)輸平巷作為下一片盤(pán)的區(qū)段回風(fēng)平巷,進(jìn)行無(wú)煤柱回采,對(duì)提高資源回采率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]劉慶順,馮光明,賈凱軍等.注漿充填技術(shù)在處理小煤窯采空區(qū)冒矸中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭,2010(8)

[2]郝寶生.綜采充填工作面頂板活動(dòng)規(guī)律探討[J].中國(guó)煤炭,2010(7)

[3]王永紅,沈文.中國(guó)煤礦水害預(yù)防及治理[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1996

[4]郝寶生,張書(shū)國(guó).矸石與粉煤灰混合充填開(kāi)采的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)煤炭,2009(11)

[5]袁靜宜.矸石自溜充填技術(shù)[J].中國(guó)煤炭,2008(11)

[6]曹輝,張佳琳.煤礦采空區(qū)充填工藝及進(jìn)展[J].中國(guó)煤炭,2009(3)

[7]李永明,劉長(zhǎng)友,李西蒙.水體下急傾斜煤層采空區(qū)矸石充填頂板控制研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2010(9)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Research on surrounding rock stability of roadway for goaf backfilling in steeply inclined seam by numerical calculation

Li Yongming1,2,Liu Changyou1,Wang Xiao1,Ji Wangpeng1
(1.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine safety,China University of Mining&Technology,Xuzhou,Jiangsu 221008,China;2.School of Coal Mining Engineering,Shanxi Datong University,Datong,Shanxi 037003,China)

In order to ensure safemining of steeply inclined seam,the roof control way of gangue self-rolling backfilling in the goaf of steeply inclined seam was used.Based on the occurrence conditions of steeply inclined coal seam and hydrological engineering geological conditions of Long Hu coalmine,Udec2D numerical calculation is used in this paper to analyze the roadway surrounding deformation effect with different goaf control may of unfilling,partial filling and whole filling as well as the gangue backfilling body strength in steeply inclined seam.The results show that when the gob is not filled,there will be the biggest deformation of surrounding rock.With the increment of backfill strength,the deformation of roof and floor tends to decline in both partial filling and whole filling,and the roof control effect with whole filling is significantly better than with partial filling.The actual measurement on the spot is same as numerical calculation results.

coalmining under-water body,steeply inclined pitching seam,gangue backfilling,roof controlling may,stability of surrounding rock

TD322

A

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2007CB209400)資助。

李永明(1979-),男,山西大同人,講師,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀博士,從事采礦工程方面的教學(xué)和研究工作。