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近距離下煤層回采巷道合理位置選擇

2021-12-17 06:04耿春喜
2021年12期
關(guān)鍵詞:煤柱屈服間距

耿春喜

(山西潞安集團 左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司,山西 長治 032600)

近距離煤層在我國各大礦區(qū)廣泛分布,近距離開采使得相鄰兩煤層之間巷道掘進、工作面回采礦壓顯現(xiàn)更加明顯。當(dāng)上煤層開采后,打破了煤層原有的應(yīng)力場環(huán)境,下煤層頂?shù)装宥紩艿讲煌潭鹊臄_動,加之兩煤層之間間距較小,上煤層采空區(qū)及遺留的區(qū)段煤柱必然會對下煤層回采巷道布置及支護造成直接影響[1-3]。因此下煤層回采巷道如何選擇合理的位置,最大限度地減小受上煤層的影響,對于保持下煤層安全回采至關(guān)重要。

1 工程概況

山西某礦主要開采8號和9號煤層,其中8號煤層厚度1.99~3.62 m,平均2.8 m,工作面采用三巷布置,巷道保護煤柱留設(shè)20 m。9號煤層距離8號煤平均間距6.25 m,9號煤層厚度為3.4 m,平均傾角3°,直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖,厚度6.25 m,直接底為泥巖,平均厚度2.32 m。目前礦井對8號、9號煤層同時進行回采,兩煤層回采巷道采用外錯式布置。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置示意

2 煤柱應(yīng)力在底板中的傳播規(guī)律

8號煤層回采后,殘留煤柱應(yīng)力勢必會向底板中傳播,影響到9號煤層安全回采及巷道布置。因此研究8號煤殘留煤柱集中應(yīng)力在底板中傳播規(guī)律對于9號煤層巷道布置具有重要意義。

根據(jù)彈性力學(xué)理論,將煤巖體看作彈性體,建立煤柱集中載荷P在半無限平面內(nèi)任意一點的應(yīng)力模型,如圖2所示[4]。

圖2 煤柱集中載荷傳遞模型

根據(jù)力學(xué)原理,煤柱下集中載荷下方某一點處垂直應(yīng)力大小可以按照公式(1)、(2)進行計算:

(1)

(2)

其中:σy為煤柱下方某一點受到的垂直應(yīng)力,MN;P為煤柱對底板施加的載荷,MN;Z為受力點距上層煤底板的距離,m;r為受力點在水平面上的半徑,m。

應(yīng)用疊加原理,可以將該條件推廣到無限空間,當(dāng)半平面體上作用寬度為2L的均布載荷,煤柱下煤巖體受到的垂直應(yīng)力σy可以用公式(3)進行計算[5]:

(3)

其中:L為均布載荷的寬度,m。

根據(jù)現(xiàn)場情況,求得煤柱載荷在9號煤層中對應(yīng)位置最大垂直應(yīng)力為7.2 MPa,而9號煤層原巖應(yīng)力為6.5 MPa,根據(jù)計算結(jié)果,8號煤煤柱在底板中形成的集中應(yīng)力已經(jīng)傳遞至9號煤層對應(yīng)區(qū)域。因此9號煤層回采巷道位置留設(shè)不合適,必然會造成巷道變形嚴(yán)重、甚至頂板垮落的事故。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)8號、9號煤層開采技術(shù)條件,采用FLAC數(shù)值軟件對9號煤層回采巷道位置進行模擬,分別選取9號煤回采巷道外錯8號煤回采巷道3 m、5 m、7 m、9 m、12 m五種情況下,9號煤層回采巷道塑性區(qū)分布及應(yīng)力分布特征,最終確定合理的巷道位置。模擬煤巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.2 數(shù)值模擬分析

圖3為8號、9號煤回采巷道不同錯距條件下,巷道屈服破壞分布圖。可以看出,隨著兩煤層回采巷道錯距的不斷增加,兩煤層之間的影響逐漸減小,屈服破壞面積逐漸減小。當(dāng)兩煤層回采巷道錯距3 m時,兩煤層之間層間巖層屈服破壞明顯,該條件下,下部煤層回采巷道圍巖隨著工作面的開采勢必會發(fā)生嚴(yán)重變形。當(dāng)兩煤層回采巷道錯距增加到9 m時,繼續(xù)增加巷道間距,屈服破壞情況變化不大,兩煤層回采巷道相對穩(wěn)定,因此從巷道屈服破壞情況出發(fā),9號煤層回采巷道合理的位置應(yīng)外錯8號煤層巷道9 m。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

圖4為8號、9號煤回采巷道不同距離條件下,巷道之間煤柱應(yīng)力分布特征??梢钥闯?,當(dāng)巷道間距小于9 m時,煤柱內(nèi)部應(yīng)力值較大,應(yīng)力變化梯度也大,應(yīng)力馬鞍型特征不明顯,在這樣的情況下煤柱穩(wěn)定性較差;當(dāng)間距大于9 m時,繼續(xù)增加巷道間距,應(yīng)力值和應(yīng)力梯度變化不大,且受力呈現(xiàn)明顯的馬鞍型特征,因此從巷道間煤柱承載出發(fā),9號煤層回采巷道合理的位置應(yīng)外錯8號煤層巷道9 m。

圖3 兩煤層回采巷道不同錯距下圍巖屈服破壞特征

圖4 不同巷道間距下巷間煤柱受力特征

4 工程驗證

根據(jù)分析結(jié)果,確定9號煤層回采巷道合理的位置外錯8號煤層巷道9 m進行布置,并對9號煤層工作面回采時回采巷道圍巖移近量進行了監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 9號煤層回采巷道圍巖移近量

由圖可知,巷道超前工作面30 m范圍內(nèi)頂板、兩幫移近量較大,頂板移近量最大為96 mm,兩幫移近量最大為67 mm,超前距離大于30 m后,巷道圍巖基本穩(wěn)定,頂板移近量維持在70 mm,兩幫移近量為50 mm,圍巖整體變形量較小。因此巷道間距9 m情況下,能夠保證9號煤層回采巷道的圍巖穩(wěn)定性。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合礦井近距離煤層8號和9號煤層實際開采條件,通過運用理論分析及數(shù)值模擬試驗的方法,對9號煤層回采巷道的合理位置選擇進行了研究,得出以下結(jié)論:

1) 通過理論計算,確定8號煤層巷道煤柱載荷在9號煤層中對應(yīng)位置最大垂直應(yīng)力為7.2 MPa,已經(jīng)影響到9號煤層開采及巷道布置。

2) 通過數(shù)值模擬分析不同巷道間距下9號煤層回采巷道的屈服破壞情況及巷間煤柱受力情況,最終確定了9號煤層回采巷道合理的位置應(yīng)外錯8號煤層巷道9 m。

3) 通過現(xiàn)場監(jiān)測,9號煤回采巷道外錯9 m情況下,頂板移近量最大為96 mm,兩幫移近量最大為67 mm,整體處于穩(wěn)定狀態(tài),進一步表明9號回采巷道外錯9 m布置科學(xué)合理。

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