宋振華
(山西煤炭運銷集團 能源投資開發(fā)有限公司, 山西 太原 030500)
近些年來,沿空留巷技術(shù)逐步成為礦井開采的主要技術(shù)措施之一[1].在沿空留巷過程中,常采用頂板預(yù)裂法留巷,通過對頂板進行預(yù)裂,減小頂板壓力,以達到無煤柱開采的目的[2-5].在進行切頂卸壓過程中,不同切頂參數(shù)圍巖控制程度也大不相同,所以需要對合理的切頂參數(shù)進行研究。本文以東河煤礦2206工作面為背景,利用數(shù)值模擬軟件對沿空留巷無煤柱切頂留巷參數(shù)進行設(shè)計,以保證礦井高效開采。
東河煤礦為太原煤炭氣化(集團)有限責(zé)任公司下屬煤炭企業(yè),礦井生產(chǎn)能力為90萬t/a,批準開采2#煤層,開拓方式為主斜副立。2206工作面位于碾溝村東北方向,地面主要為低級植被和灌木林。工作面對應(yīng)地面位置無裂隙、塌陷。因此該工作面掘進時受大氣降水、地表水的威脅較小。2206運輸順槽位于二采區(qū)西南部,工作面東北部為東大巷,東南部為未采實體煤,西北部為2208工作面,西南部為碾溝村保安煤柱。
2#煤層厚度約1.91 m,煤層傾角0~4°,頂?shù)装鍘r性均為泥巖。2206上覆巖層依次為2 m砂質(zhì)泥巖,4 m泥巖,1.3 m砂巖和7.21 m砂質(zhì)泥巖,底板巖層為1.75 m泥巖和5.8 m細粒砂巖。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件根據(jù)實際地質(zhì)情況建立計算模型對切頂卸壓留巷進行模擬研究,模型長200 m×寬350 m×高85 m,其中巷道開挖尺寸為100 m×200 m×2 m,模型選用摩爾-庫倫模型為本構(gòu)關(guān)系,設(shè)計巷道埋深為200 m,對模型進行網(wǎng)格劃分,劃分時在巷道周邊進行細化分,在遠離巷道的位置進行適當(dāng)?shù)拇謩澐?,完成模型劃分后對模型的物理屬性進行設(shè)定,根據(jù)試驗測得的物理參數(shù)進行設(shè)定,物理參數(shù)見表1.完成上述操作后對模型的邊界條件進行設(shè)定,在模型的左右邊界位置限定x方向的固定約束,前后邊界設(shè)定y方向的約束條件,下部邊界施加z方向的約束,同時對上部邊界施加覆巖的均布自重載荷,完成模型的建立。
表1 物理參數(shù)表
分別對有切頂和無切頂兩種情況下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況進行分析,切頂前后巷道圍巖變形云圖見1.
由圖1可以看出,無切縫條件下沿空留巷煤幫內(nèi)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,此時的垂直應(yīng)力最大值為17.8 MPa,應(yīng)力集中位置距離巷幫約3.0 m,此時容易出現(xiàn)煤壁片幫等問題,不利于巷道穩(wěn)定。當(dāng)巷道進行切縫后,沿空留巷煤幫應(yīng)力集中面積有了較大比例的縮小,垂直應(yīng)力為12.1 MPa,集中位置距離巷幫約6 m,對巷道維護較為有利。
圖1 切頂前后巷道圍巖變形圖
為分析切頂高度對沿空留巷礦壓顯現(xiàn)的影響,模擬切頂高度分別為6 m、7 m、8 m時圍巖應(yīng)力、位移情況,圍巖應(yīng)力、位移云圖見圖2.
圖2 不同切頂高度時圍巖應(yīng)力、位移云圖
對不同切頂高度的卸壓效果進行分析,發(fā)現(xiàn)切頂高度對切頂效果影響較大。當(dāng)切頂高度為6 m時,實體煤幫內(nèi)部距巷幫約4 m位置出現(xiàn)應(yīng)力集中,垂直應(yīng)力最大值為13 MPa,最大位移量500 mm;切頂高度為7 m時,實體煤幫內(nèi)部距巷幫約6 m位置出現(xiàn)應(yīng)力集中,垂直應(yīng)力最大值為12.1 MPa,最大位移量250 mm,對比切頂高度6 m,此時的應(yīng)力集中向著實體煤幫進行轉(zhuǎn)移;當(dāng)切頂高度為8 m時,實體煤幫內(nèi)部距巷幫約7 m位置出現(xiàn)應(yīng)力集中,垂直應(yīng)力最大值為11.9 MPa,最大位移量200 mm,應(yīng)力集中位置進一步轉(zhuǎn)移??梢钥闯銮许敻叨仍酱螅霈F(xiàn)應(yīng)力集中位置距離巷幫越遠,相對的對于巷道維護越有利,但切頂高度增大至一定程度后,切頂卸壓效果逐步減弱,考慮到切頂高度越大,裝藥量越多,施工難度越大,綜合對比得出當(dāng)切頂高度為7 m時,有利于巷道圍巖穩(wěn)定,切頂高度最為合理。
對切頂角度進行模擬分析,模擬切頂角度分別為0°、15°、25°時圍巖的應(yīng)力、位移情況,圍巖應(yīng)力、位移云圖見圖3.
圖3 不同切頂角度下應(yīng)力位移云圖
分析不同切頂角度下巷道圍巖變形云圖,可知當(dāng)切頂角度為0°時,巷道頂板垂直位移較小,垂直應(yīng)力仍然較高;當(dāng)切頂角度為15°、25°時,采空區(qū)存在大面積低應(yīng)力區(qū),有利于頂板垮落,同時當(dāng)切頂角度為0°、15°時,煤幫應(yīng)力集中位置距離煤幫約6 m,而當(dāng)切頂角度25°時,煤幫應(yīng)力集中位置距離煤幫約4 m,應(yīng)力集中位置向著煤深處轉(zhuǎn)移。對比3種不同切頂角度下的垂直應(yīng)力,垂直應(yīng)力峰值分別為12.1 MPa、10.9 MPa、12.0 MPa,可以看出當(dāng)切頂角度為15°時,垂直應(yīng)力最小。3種切頂角度下巷道頂板垂直位移分別為250 mm、300 mm、500 mm,可知切頂角度越大,垂直位移越大,綜合比較后得出切頂角度為15°是比較合理的。
模擬分析可知,頂板預(yù)裂切縫能夠有效降低巷道頂板一定范圍內(nèi)的應(yīng)力,形成卸壓區(qū),有利于巷道頂板穩(wěn)定。當(dāng)切頂高度為7 m、切頂角度為15°時,對東河煤礦2206工作面巷道穩(wěn)定性維護最為有利。