康國峰,劉建偉,徐 昕

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司 國電同忻煤礦,山西 大同 037001)

隨著我國煤炭采掘技術(shù)的不斷進(jìn)步,對以往較難開采資源的開采成為可能,其中就包括對孤島工作面煤炭資源的回收[1]。對孤島工作面煤炭資源的安全有效回收可以提高煤炭資源利用率,也可以有效提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。然而,孤島工作面的礦壓控制一直是難以回避的問題[2-3],對孤島工作面回采巷道的順槽支護(hù)問題尤為嚴(yán)重[4-6]。為了高效率地實(shí)現(xiàn)對孤島工作面的回采,本文對8102孤島工作面回風(fēng)順槽的合理支護(hù)方案進(jìn)行對比研究,選出合理支護(hù)方案,有效指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。

1 工程概況

同忻礦8102孤島工作面位于一盤區(qū)東側(cè),對應(yīng)地面標(biāo)高+1 225.1 m～+1 283.6 m,煤層底扳標(biāo)高為+788 m～+792 m,工作面埋深為437.1 m～491.6 m,平均煤厚12.7 m,北部為8103面采空區(qū),南部為8101面采空區(qū)。孤島工作面布置見圖1。

圖1 8102孤島工作面布置示意圖

2 孤島工作面礦壓顯現(xiàn)特征

相比于正常工作面,回采孤島工作面時(shí),由于兩側(cè)沒有支撐的工作面,煤巖體隨著采空區(qū)的不斷擴(kuò)大而彎曲下沉速度明顯加快,離層導(dǎo)致的間隙更明顯。并且受工作面采動(dòng)應(yīng)力和工作面兩側(cè)采空區(qū)參與支承應(yīng)力的疊加,巷道的礦壓顯現(xiàn)劇烈,變形量較大。巷道圍巖變化區(qū)域可分為:緩升區(qū)、升高區(qū)以及急升區(qū)。

針對孤島工作面的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn),相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)也與普通巷道不同。通常情況下采用動(dòng)態(tài)支護(hù)的手段對孤島巷道進(jìn)行支護(hù),即隨著圍巖應(yīng)力的不斷變化,支護(hù)參數(shù)發(fā)生改變,進(jìn)而使巷道變形得到有效控制。

3 數(shù)值模擬研究

基于同忻礦8102孤島工作面的巖層特征,對其頂?shù)装暹M(jìn)行了巖石取樣,并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了相應(yīng)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn),得出了頂?shù)装鍘r層的物理力學(xué)參數(shù),如表1所示。利用FLAC3D5.00軟件對8102孤島工作面回風(fēng)順槽采用不同錨桿支護(hù)方案時(shí)的情況進(jìn)行模擬,并對塑性區(qū)破壞形態(tài)和相關(guān)的圍巖變形狀況進(jìn)行探討。

表1 8102面煤層頂?shù)装迕簬r力學(xué)參數(shù)

3.1 模型建立及開挖步驟

根據(jù)地層實(shí)際情況建立模型并且進(jìn)行賦值,模型長×寬×高=400 m×200 m×100 m。模型共劃分1 262 580個(gè)單元,1 309 670個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型煤層厚13 m,煤層頂板55 m,底板40 m。將模型的前、后、左、右、下都設(shè)定成固定邊界,在其上部施加4.93 MPa的垂直應(yīng)力,模型示意圖如圖2所示。

2-a 數(shù)值模擬邊界條件

2-b FLAC3D生成模型

模型建好后首先開挖8101工作面和8102工作面運(yùn)輸順槽以及回風(fēng)順槽并支護(hù),等順槽穩(wěn)定后(軟件運(yùn)行收斂),再先后回采8103工作面和8102工作面,為了計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況相符,對開挖巷道周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密,確定最佳巷道支護(hù)參數(shù)。

3.2 模擬方案

8102面回風(fēng)順槽為矩形斷面,高2.9 m,寬3.7 m。依據(jù)同忻礦的實(shí)際地質(zhì)情況,回風(fēng)順槽共提出了六種支護(hù)方案,通過工程類比和數(shù)值模擬法對這六種方案進(jìn)行對比,最終確定出較為可靠的兩種方案。這兩種方案的具體情況如表2所示。

表2 數(shù)值模擬方案表

3.3 8102回風(fēng)順槽數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1相鄰工作面采動(dòng)影響分析

1)方案一。建模期間,布置一測點(diǎn)在順槽,圖3顯示當(dāng)8102工作面回風(fēng)順槽采用方案一支護(hù)時(shí)8103工作面開采之后,8102工作面回風(fēng)順槽測點(diǎn)在不同位置時(shí)巷道塑性區(qū)的分布。圖3-a顯示未受相鄰工作面采動(dòng)影響時(shí)8102工作面回風(fēng)順槽圍巖礦壓顯現(xiàn)較小,兩幫破壞深度0.5 m左右,小于錨桿錨固長度,可見錨桿起到了錨固作用,巷道底板破壞深度在0.7 m左右,巷道較為穩(wěn)定。圖3-b、3-c顯示測點(diǎn)位于8103工作面后方0 m、30 m時(shí)8102工作面回風(fēng)順槽圍巖破壞程度與圖3-a基本相同,但在工作面后30 m時(shí),回風(fēng)順槽右?guī)推茐纳疃嚷杂性黾?巷道較為穩(wěn)定。由圖3-d、3-e、3-f可以看出,在距離8103工作面后方大于70 m時(shí),回風(fēng)順槽塑性破壞范圍顯著增加,當(dāng)位于8103工作面后方170 m處時(shí),塑性區(qū)范圍超出錨桿有效錨固范圍,巷道圍巖失穩(wěn)破壞。

圖3 測點(diǎn)位于相鄰工作面后方不同位置處巷道塑性區(qū)分布圖

2)方案二。圖4顯示當(dāng)8102工作面回風(fēng)順槽采用方案二支護(hù)時(shí),相鄰8103工作面開采后8102工作面回風(fēng)順槽測點(diǎn)不同位置時(shí)巷道塑性區(qū)分布。圖4-a顯示未受相鄰工作面采動(dòng)影響時(shí),8102工作面回風(fēng)順槽圍巖較為穩(wěn)定,兩幫破壞深度0.5 m左右,小于錨桿錨固長度,可見錨桿起到了錨固作用,巷道底板破壞深度在0.35 m左右,巷道較為穩(wěn)定。由圖4-b、4-c、4-d、4-e、4-f可以看出,隨著相鄰8103工作面不斷的向前推進(jìn),工作面后方8102孤島工作面回風(fēng)順槽塑性破壞范圍逐漸增大,但都在錨桿(索)的有效錨固范圍內(nèi),塑性區(qū)破壞深度相對較小,巷道圍巖穩(wěn)定。

圖4 8102工作面回風(fēng)順槽測點(diǎn)不同位置巷道塑性區(qū)分布

3.3.2兩方案模擬結(jié)果對比分析

圖5為兩方案中頂?shù)装逡平侩S測點(diǎn)至相鄰工作面煤壁距離變化曲線圖,圖6為各方案中兩幫移近量隨測點(diǎn)至相鄰工作面煤壁距離變化曲線圖。

圖5 各方案中頂?shù)装逡平侩S測點(diǎn)至相鄰工作面煤壁距離變化曲線

圖6 各方案中兩幫移近量隨測點(diǎn)至相鄰工作面煤壁距離變化曲線

對比圖5和圖6可知:從兩幫的位移量方面來看,方案二能有效控制兩幫變形,兩幫位移量減小了48%;從頂?shù)装逡平糠矫鎭砜?方案二由于增強(qiáng)了支護(hù)體的強(qiáng)度,使得巷道底臌量相較于方案一來說,有了明顯減小。

由圖5和圖6可以分析得出:當(dāng)8102工作面回風(fēng)順槽采用方案二支護(hù)時(shí),8102回風(fēng)順槽在8103工作面前方60 m至后方40 m范圍內(nèi),回風(fēng)順槽受明顯采動(dòng)影響。

圖7為兩種方案支護(hù)條件下8102工作面回風(fēng)順槽圍巖變形量柱狀對比圖。

圖7 各支護(hù)方案下8102工作面回風(fēng)順槽圍巖變形量柱狀對比圖

由圖7可知,方案二能起到較好的支護(hù)效果,可以控制塑性區(qū)的范圍至合理區(qū)域,支護(hù)強(qiáng)度較大,產(chǎn)生了明顯的支護(hù)效果,故同忻礦8102工作面回風(fēng)順槽應(yīng)將方案二確定為初始支護(hù)方案。

3.3.3工作面回采時(shí)8102工作面回風(fēng)順槽數(shù)值模擬分析

圖8為當(dāng)8102工作面回風(fēng)順槽采用方案二支護(hù)時(shí),塑性區(qū)在工作面前方0 m、20 m、50 m的分布圖。

圖8 測點(diǎn)位于本工作面前方不同位置處巷道塑性區(qū)分布圖

圖8-a所示為8202工作面回采時(shí),8102工作面回風(fēng)順槽前方50 m處兩幫局部破壞深度為1 m左右,底板破壞深度為0.7 m左右,巷道較為穩(wěn)定。圖8-b顯示8102工作面前方20 m處回風(fēng)順槽兩幫破壞深度為1 m左右,底板破壞深度為1 m左右,巷道開始受8102工作面超前壓力的影響,巷道較為穩(wěn)定。圖8-c表示的是當(dāng)測點(diǎn)位于8102工作面處時(shí),回風(fēng)順槽右?guī)推茐姆秶^大,破壞深度達(dá)到1.5 m時(shí),仍然處于錨桿有效錨固區(qū)內(nèi),巷道圍巖處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié)論

綜合以上數(shù)值模擬分析可知,采用方案二對8102孤島工作面回風(fēng)順槽進(jìn)行支護(hù)時(shí),在本工作面及相鄰工作面采動(dòng)影響下,順槽圍巖塑性區(qū)破壞范圍小,頂?shù)装寮皟蓭鸵平康玫捷^好的控制,可以滿足8102孤島工作面安全回采的要求,故可以作為該回風(fēng)順槽的合理支護(hù)方案。但在實(shí)際應(yīng)用中,要根據(jù)巷道圍巖的實(shí)際情況對數(shù)值模擬得出的支護(hù)方案加以驗(yàn)證跟修正,實(shí)時(shí)觀察工作面回采過程中的礦壓變化規(guī)律,輔助模擬結(jié)果得出適合試驗(yàn)工作面地質(zhì)條件的最優(yōu)支護(hù)方案。