預(yù)防采空區(qū)氣體沖擊災(zāi)害的密閉墻研究＊

張 杰 李 宇

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054;2.中國(guó)煤炭進(jìn)出口公司,北京市東城區(qū),100011)

預(yù)防采空區(qū)氣體沖擊災(zāi)害的密閉墻研究＊

張 杰1李 宇2

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西省西安市,710054;2.中國(guó)煤炭進(jìn)出口公司,北京市東城區(qū),100011)

建立了采空區(qū)永久密閉結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型,分析了密閉墻在氣體的沖擊作用下的受力狀態(tài),得到了其結(jié)構(gòu)參數(shù)與受力狀態(tài)的關(guān)系。利用有限差分軟件FL A C3D進(jìn)一步對(duì)永久密閉的強(qiáng)度進(jìn)行了演算,研究成果在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

采空區(qū) 密閉墻 數(shù)值模擬 沖擊災(zāi)害預(yù)防

1 工程背景

頂板大面積一次性垮落使采空區(qū)內(nèi)空氣壓縮,氣體由采空區(qū)或巷道涌出造成沖擊載荷,對(duì)巷道密閉墻產(chǎn)生沖擊壓力。為預(yù)防采空區(qū)氣體沖擊災(zāi)害的發(fā)生,對(duì)長(zhǎng)壁間隔式采煤工作面采空區(qū)的密閉墻進(jìn)行了研究。

長(zhǎng)壁“間隔”開(kāi)采工藝是工作面每推進(jìn)一定距離留設(shè)煤柱,搬家到新的開(kāi)切眼再繼續(xù)推進(jìn),因工作面不是連續(xù)推進(jìn),所以起名為“間隔”式開(kāi)采。在兩永久穩(wěn)定的隔離煤柱之間留一個(gè)臨時(shí)煤柱,由于煤層開(kāi)采高度小,可利用臨時(shí)煤柱逐漸破壞,限制頂板的一次性破壞面積,減小垮落災(zāi)害。盡管以隔離和臨時(shí)煤柱相間布置方案實(shí)現(xiàn)了兩隔離煤柱間100 m距離內(nèi)頂板的垮落,但垮落面積仍達(dá)2萬(wàn)m2,垮落會(huì)形成準(zhǔn)颶風(fēng)。這種颶風(fēng)雖不會(huì)掀翻煤車(chē),造成礦井風(fēng)向倒流,威脅人員生命安全,但會(huì)揚(yáng)起煤塵,引起心理恐慌,影響正常的生產(chǎn)秩序,甚至?xí)斐梢欢ǖ臑?zāi)變。因此,在適當(dāng)位置設(shè)置密閉墻對(duì)采空區(qū)進(jìn)行密閉是非常必要的。

2 密閉結(jié)構(gòu)及參數(shù)確定

2.1 密閉墻的結(jié)構(gòu)及受力分析

根據(jù)煤柱壓縮變形特點(diǎn),為了實(shí)現(xiàn)控制頂板的破壞形式,可將長(zhǎng)壁間隔式推進(jìn)工作面留設(shè)煤柱分為兩種,一種稱(chēng)為臨時(shí)煤柱,另一種稱(chēng)為隔離煤柱。將工作面稱(chēng)作第1開(kāi)采帶、第2開(kāi)采帶…。臨時(shí)煤柱要保證頂板在第1、2開(kāi)采帶開(kāi)采時(shí)老頂不發(fā)生初次破斷,而發(fā)生在第3開(kāi)采帶之后的某開(kāi)采帶的開(kāi)采過(guò)程中。隔離煤柱承載能力始終大于頂板所施加的集中載荷,其作用是保證1、2開(kāi)采帶頂板垮落只限定在本開(kāi)采帶內(nèi)。采用隔離和臨時(shí)煤柱相間布置方案,密閉墻應(yīng)設(shè)置在隔離煤柱處,每采過(guò)2個(gè)開(kāi)采帶,在回風(fēng)和運(yùn)輸巷中留設(shè)隔離煤柱的地方設(shè)置密閉墻,同一巷中相鄰密閉墻間距約100 m,設(shè)置密閉墻防止隔離煤柱間采空區(qū)(2個(gè)開(kāi)采帶內(nèi))頂板垮落形成沖擊災(zāi)害。密閉墻和煤柱留設(shè)示意圖如圖1所示。

圖1 密閉及煤柱留設(shè)示意圖

密閉墻設(shè)計(jì)既要考慮有足夠的抵御準(zhǔn)颶風(fēng)的強(qiáng)度,又應(yīng)考慮成本和施工方便,將密閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為拱形,兩端面為水泥砂漿砌筑的磚墻,墻體兩端固定于巷道兩側(cè)煤壁內(nèi),兩層磚墻內(nèi)充填黃土。密閉墻拱高300 mm,水泥砂漿砌筑磚墻厚300 mm,固定于巷道兩側(cè)煤壁內(nèi)600 mm。密閉長(zhǎng)為l,高為h,厚為b,其結(jié)構(gòu)及三維數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖2所示。其力學(xué)模型如圖3所示,圖中l(wèi)為巷道寬,h為巷道高,b為密閉結(jié)構(gòu)的總體厚度,p為密閉結(jié)構(gòu)所受沖擊壓力。

圖2 密閉結(jié)構(gòu)及三維數(shù)值計(jì)算模型

其受力分析可以將密閉結(jié)構(gòu)當(dāng)作平行六面體,把沿密閉結(jié)構(gòu)高度方向上單位長(zhǎng)度的密閉段認(rèn)為兩端固定的梁,正應(yīng)力在密閉結(jié)構(gòu)與巷道煤壁相聯(lián)接處,且在密閉結(jié)構(gòu)的截面兩端取得最大值,彎曲切應(yīng)力也在密閉結(jié)構(gòu)與巷道煤壁相聯(lián)接處且密閉結(jié)構(gòu)的截面中間取得最大值。設(shè)密閉結(jié)構(gòu)的許用正應(yīng)力,可建立密閉結(jié)構(gòu)的厚度、許用正應(yīng)力或切應(yīng)力、最大彎矩或最大剪力之間的關(guān)系。

圖3 密閉結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型

2.2 密閉墻參數(shù)的確定

通過(guò)計(jì)算分析采空區(qū)大面積垮落時(shí)壓縮氣體施加于巷道密閉上的壓力為3.0 MPa,巷道寬3 m,則單位長(zhǎng)度密閉段所受均布荷載為3.0×3=9000 kN/m。

設(shè)密閉墻兩端約束對(duì)梁的剪力為Q1、Q2,由梁的受力平衡可以計(jì)算得到Q1=18000 kN,Q2=-18000 kN,則梁中x處的剪力Qx=18000-9000x(kN)。

兩端約束對(duì)梁的彎矩M1=M2=-12000 kN·m,梁中x處的彎矩Mx=18000x-9000x2-12000(kN·m)。

由正應(yīng)力強(qiáng)度校核條件解得b>1.6 m,由切應(yīng)力強(qiáng)度校核條件解得b>3.2 m,為了保證密閉結(jié)構(gòu)的安全以及使密閉結(jié)構(gòu)具有較大的安全系數(shù),在本密閉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中適當(dāng)增大黃粘土的厚度,選取填充3.5 m厚的黃粘土。

3 密閉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的數(shù)值分析驗(yàn)算

3.1 數(shù)值模型

根據(jù)密閉墻設(shè)計(jì)建立三維數(shù)值計(jì)算模型,應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行模擬,在建模過(guò)程中,盡量減小重要區(qū)域網(wǎng)格尺寸差異,以免影響計(jì)算的準(zhǔn)確程度。三維計(jì)算模型應(yīng)用Generate命令生成,尺寸為寬×厚×高=4 m×4 m×3 m,巷道煤柱方向沿y軸正方向,采用模爾-庫(kù)化準(zhǔn)則(Mohr-Coulomb plasticity model)本構(gòu)模型和大應(yīng)變變形模型,用brick單元模擬墻體,整個(gè)模型由32256個(gè)單元組成,包括36125個(gè)節(jié)點(diǎn),三維數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。根據(jù)壓縮氣體施加于巷道密閉上的壓力設(shè)計(jì)了三種工況,并進(jìn)行了對(duì)比分析。其中工況1壓縮氣體施加于巷道密閉上的壓力為2.7 MPa,工況2壓縮氣體施加于巷道密閉上的壓力為3.0 MPa,工況3壓縮氣體施加于巷道密閉上的壓力為3.3 MPa。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

(1)密閉墻的受力和變形分析。由不同工況正應(yīng)力對(duì)比分析可得:在沖擊載荷的作用下,密閉墻體應(yīng)力集中區(qū)處于巷道兩幫煤柱附近,沿垂直方向貫穿整個(gè)墻體,分布情況如圖4所示。工況1墻體上所承受的最大應(yīng)力值為4.6 MPa,工況2墻體上所承受的最大應(yīng)力為7.5 MPa左右,工況3墻體上所承受的最大應(yīng)力值為14.9 MPa,工況2的最大應(yīng)力小于許用正應(yīng)力9.3 MPa。由墻體正應(yīng)力特征圖(見(jiàn)圖6)也表明,工況3墻體部分區(qū)域出現(xiàn)較大的應(yīng)力值。

不同工況下剪應(yīng)力的對(duì)比表明,在沖擊載荷的作用下,密閉墻體上剪應(yīng)力分布與正應(yīng)力特征相似,分布情況如圖5所示。工況1墻體上所承受的最大剪切應(yīng)力為1.95 MPa左右,工況2為2.26 MPa,工況3為4.53 MPa。可以看出,工況2的最大剪切應(yīng)力小于許用切應(yīng)力2.8 MPa。同時(shí),也可以得出,隨著所受載荷的增加,墻體所受的剪應(yīng)力增加幅度也在不斷的增加,其剪應(yīng)力特征分布如圖7所示。

不同工況下墻體的位移特征如圖8所示,其最大位移區(qū)處于巷道中心位置,工況1墻體產(chǎn)生的最大位移值為1.87 cm左右,工況2墻體產(chǎn)生的最大位移值為2.17 cm,工況3墻體產(chǎn)生的最大位移值為2.84 cm?？梢钥闯鲭S著所受載荷的增加,墻體產(chǎn)生的最大位移增加幅度也在不斷增加。

圖6 墻體正應(yīng)力特征

(2)密閉結(jié)構(gòu)破壞分析。與應(yīng)力特征相對(duì)應(yīng),墻體最早出現(xiàn)塑性破壞的區(qū)域也在高應(yīng)力區(qū)。各工況均有小范圍的剪切破壞,工況1和工況2的墻體中部有較小范圍的拉伸破壞,而工況3處于兩幫附近的大部分墻體均發(fā)生剪切破壞,在墻體中部有一拉伸破壞帶將兩幫剪切破壞區(qū)域連通。通過(guò)前面對(duì)不同工況下密閉墻的受力、變形和破壞分析表明,密閉墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際密閉墻的密閉效果也表明,密閉墻在采空區(qū)有限的大面積垮落(在兩隔離煤柱間)時(shí),密閉墻能保持完好,目前還沒(méi)發(fā)生過(guò)密閉破壞現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)壁“間隔”開(kāi)采以隔離和臨時(shí)煤柱相間布置可控制兩隔離煤柱間的頂板垮落,但其垮落面積之大也會(huì)形成準(zhǔn)颶風(fēng),因此,應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)置密閉墻對(duì)采空區(qū)進(jìn)行密閉,避免造成災(zāi)變。在分析永久密閉墻的材料結(jié)構(gòu)及沖擊作用下受力狀態(tài)的基礎(chǔ)上,確定了密閉墻的結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)參數(shù)。通過(guò)對(duì)不同工況下密閉墻的受力、變形和破壞分析表明,密閉墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。在采空區(qū)有限的大面積垮落(兩隔離煤柱間)時(shí),密閉墻能保持完好,理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用基本一致。

[1] 侯忠杰,付二軍.間隔式開(kāi)采方法研究及其應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009(1)

[2] 張世凱.厚松散層薄基巖煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].礦山壓力與頂板管理,1998(1)

[3] 張李節(jié).淺埋工作面超前支承壓分布規(guī)律[J].礦山壓力與頂板管理,1994(3)

[4] 李少剛.綜放采場(chǎng)覆巖大結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及失穩(wěn)沖擊災(zāi)害防治研究[D].碩士學(xué)位論文,山東科技大學(xué),2006,6

[5] 息金波.采場(chǎng)頂板大面積垮落的咫風(fēng)災(zāi)害的理論研究[D].碩士學(xué)位論文,太原理工大學(xué),2006,5

[6] 滕博,姜福興,莫自寧等.煤礦防爆密閉墻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2007(2)

[7] 汪華君.四面采空采場(chǎng)“θ”型覆巖多層空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及控制研究[D].博士學(xué)位論文,山東科技大學(xué),2005,6

On sealing wall to prevent air bursting disaster in gob areas

Zhang Jie1,Li Yu2

(1.School of Energy Engineering,Xi’an University of Science&Technology,Xi’an,Shaanxi province 710054,China;2.China National Coal Imports and Exports Corporation,Beijing 100011,China)

With a calculation model set up for permanent sealing wall structure used in gob area,the stress state of the sealing wall structure under the condition of air bursting stress is analyzed and the relations between the structure parameters and the state of stress is obtained.The strength of the permanent dealing structure is further calculated by finite difference software and the research results achieve success in actual field application.

gob area,sealing wall,numerical simulation,bursting air disaster prevention

TD 726

A

陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(09J K599),西安科技大學(xué)博士啟動(dòng)金項(xiàng)目(200801)

張杰(1978-),男,四川達(dá)縣人,博士,主要從事礦山壓力及巖層控制的研究和教學(xué)工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)