深部礦井傾斜煤層采空區(qū)下回采巷道布置的數(shù)值模擬

肖福坤,　盧高明,　申志亮,　張峰瑞,　張　澤

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150022)

?

深部礦井傾斜煤層采空區(qū)下回采巷道布置的數(shù)值模擬

肖福坤,盧高明,申志亮,張峰瑞,張澤

(黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150022)

為減少深部礦井傾斜煤層采空區(qū)下回采巷道的變形量和臥底量,降低回采巷道的返修率,以某礦為例,分析采空區(qū)下布置回采巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及回采巷道位置參數(shù),并采用FLAC3D快速拉格朗日差分分析法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果表明:兩層煤聯(lián)合開采的下層位煤層回采巷道,應(yīng)布置在上層位煤層已經(jīng)穩(wěn)定的采空區(qū)下;回采巷道與上層位煤體邊緣之間的水平距離可通過取其在下層位煤層應(yīng)力降低區(qū)域與下層位煤層小變形區(qū)域的取值范圍的交集獲得。該研究為采空區(qū)下回采巷道的位置選擇提供了可靠的理論依據(jù)。

回采巷道; 礦壓; 深部礦井; 傾斜煤層; 數(shù)值模擬

深部礦井開采過程中,開采深度超過一定范圍時(shí)會(huì)相繼出現(xiàn)一些采動(dòng)異?，F(xiàn)象,特別是受上覆煤層采動(dòng)影響,回采巷道所處的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境將變得更加復(fù)雜,如采空區(qū)下部的煤層大范圍進(jìn)入塑性破壞狀態(tài),工作面回采巷道處于低應(yīng)力狀態(tài)的松軟破碎煤層中,煤體完整性差,頂板裂隙發(fā)育,巷道圍巖環(huán)境惡劣[1-3]。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn),此類巷道在掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)劇烈,底臌現(xiàn)象突出,片幫嚴(yán)重,兩幫變形量大,支護(hù)十分困難。因此,回采巷道開掘后,為實(shí)現(xiàn)工作面回采,有時(shí)不得不另外開掘巷道。隨著開采深度的增加和煤層傾角的變化,這種現(xiàn)象越來越明顯,僅改變支護(hù)方式已無法解決回采巷道的大變形問題[4-7]。

在采空區(qū)下適當(dāng)位置布置回采巷道,可以大幅減少回采巷道的變形量和臥底量,降低其返修率。深部開采地壓較大的回采巷道,需根據(jù)實(shí)際煤巖層的分布情況布置,以防止巷道大變形。李榮坤[8]基于德國 W.Hack 和G.Gillitzer的壓力拱理論,在垞城礦采空區(qū)下布置回采巷道,并分析其相應(yīng)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,結(jié)果證明了在采空區(qū)下布置回采巷道是減少深部礦井回采巷道變形量的有效途徑。壓力拱假說對回采工作面前后的支承壓力及回采工作空間處于減壓范圍作出了解釋,而對于此拱特性,巖層變形、移動(dòng)和破壞的發(fā)展過程以及支架與圍巖的相互作用,并未作分析[3]。為此,筆者在壓力拱假說的基礎(chǔ)上,采用FLAC3D有限差分法[9]對煤巖層地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行建模,模擬某礦在采空區(qū)下不同位置布置回采巷道時(shí)煤巖體的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài),分析回采巷道布置位置的影響,為在采空區(qū)下布置回采巷道提供了可靠的理論依據(jù),同時(shí)解決了現(xiàn)場實(shí)測耗力、耗時(shí)的問題。

1　受采動(dòng)影響的回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

研究區(qū)為兩層煤聯(lián)合開采的采區(qū),煤層屬于“三軟”的傾斜煤層,平均埋藏深度為900 m左右,傾角約為30°。根據(jù)煤和巖層性質(zhì)、巷道維護(hù)情況、服務(wù)年限、設(shè)備條件等因素,采區(qū)上山布置在下層位的煤層之中,沿煤層布置。如此布置,巷道的掘進(jìn)速度快、費(fèi)用低,聯(lián)絡(luò)巷道工程量小,并可補(bǔ)充探明煤層情況。對于區(qū)段而言,當(dāng)煤層傾角大于15°～20°時(shí),常采用石門聯(lián)系,而對于傾角較小、層間距離較大的煤層,常用斜巷聯(lián)系,以便減小掘進(jìn)工程量[10]。

回采巷道是形成采煤工作面及為其服務(wù)的巷道,在兩層煤的聯(lián)合開采中,下層位煤層的回采巷道不僅受該層位煤層的開采影響,還要受到上層位煤層的采動(dòng)影響,圍巖變形和受力狀況將發(fā)生很大變化。根據(jù)上層位煤層回采空間狀況、與下層位煤層回采巷道的相對位置及開采時(shí)間關(guān)系,下層位煤層回采巷道的位置可以歸納為已穩(wěn)定的采空區(qū)下部、尚未開采的工作面下部和保護(hù)煤柱下部三種情況。

由于下層位煤層回采巷道受到上層位煤層的采動(dòng)影響,下層位煤層回采巷道從開掘至報(bào)廢,將引起圍巖附近的應(yīng)力反復(fù)重新分布[3],圍巖的變形速度也隨之變化。當(dāng)下層位煤層回采巷道布置在不同位置時(shí),圍巖應(yīng)力和變形情況不同,如下所示:

(1)當(dāng)回采巷道布置在已穩(wěn)定的采空區(qū)下部時(shí),圍巖首先經(jīng)歷在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的回采巷道掘進(jìn)影響階段,然后進(jìn)入掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段,期間其變形趨于穩(wěn)定,變形量不大。

(2)當(dāng)回采巷道布置在尚未開采的工作面下部時(shí),圍巖不僅要經(jīng)歷掘進(jìn)期間的明顯變形,還要承受上層位煤層工作面跨越開采時(shí)引起的圍巖強(qiáng)烈變形。

(3)當(dāng)回采巷道布置在保護(hù)煤柱下部時(shí),圍巖要經(jīng)歷掘進(jìn)期間明顯變形,然后趨于穩(wěn)定,如果保護(hù)煤柱寬度不足,將受上層位煤層工作面回采的影響發(fā)生顯著變形,然后又趨于穩(wěn)定。

底板巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律表明,底板中除鉛直應(yīng)力外,水平應(yīng)力、剪應(yīng)力也是影響巷道礦壓顯現(xiàn)的重要因素。根據(jù)數(shù)值計(jì)算、相似模擬和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果等[3],在煤體與采空區(qū)交界地區(qū),采動(dòng)引起的底板巖層應(yīng)力分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、卸壓區(qū)、應(yīng)力恢復(fù)區(qū)、拉伸破裂區(qū)、剪切滑移區(qū),如圖1所示。卸壓區(qū)中剪切滑移區(qū)和拉伸破裂區(qū)以下區(qū)域是布置底板巷道的理想?yún)^(qū)域。

圖1　底板巖層應(yīng)力分布區(qū)域Fig. 1　Floor strata stress distribution area

因此,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,在符合一定條件的情況下,將下層位煤層的回采巷道安排在已經(jīng)穩(wěn)定的采空區(qū)下的卸壓區(qū)中(剪切滑移區(qū)和拉伸破裂區(qū)以下區(qū)域),此時(shí)，回采巷道處于上層位煤層回采空間形成的底板應(yīng)力降低區(qū)內(nèi),整個(gè)巷道在服務(wù)期間將不受上層位煤層的采動(dòng)影響,僅受應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的回采巷道的掘進(jìn)影響,然后進(jìn)入掘進(jìn)穩(wěn)定階段,圍巖變形趨于穩(wěn)定,回采巷道的變形量可有效降低。

2　采空區(qū)下回采巷道位置參數(shù)

巷道的位置參數(shù)不僅明確了巷道所在的位置及其圍巖性質(zhì)狀況,還體現(xiàn)了巷道受采動(dòng)影響的程度。在影響巷道維護(hù)的諸因素中,圍巖性質(zhì)是最為重要的因素,因此,在與工作面開采空間距離合理的范圍內(nèi),巷道應(yīng)安排在相對穩(wěn)定的煤巖層中。底板巷道與上層位煤層工作面開采空間不在同一層面內(nèi),其位置參數(shù)主要包括巷道與上層位煤體邊緣之間的水平距離x及巷道與上層位煤層開采工作面之間的垂直距離z,如圖2所示。

文中研究的是為下層位煤層回采服務(wù)的區(qū)段回采巷道,由于上下兩煤層間距確定,故巷道與上層位煤層開采工作面之間的垂直距離z也是確定的,可設(shè)為常數(shù),此時(shí)，只涉及確定水平距離x的問題。應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的回采巷道位置參數(shù)如圖2所示。

圖2　應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)的回采巷道位置參數(shù)Fig. 2　Position parameters of mining roadway instress reduced area

2.1巷道穩(wěn)定性指數(shù)

巷道穩(wěn)定性指數(shù)是指巷道開掘前所處位置的最大主應(yīng)力與巷道圍巖單向抗壓強(qiáng)度的比值,它是確定巷道位置參數(shù)的主要依據(jù)。巷道穩(wěn)定程度與巷道穩(wěn)定性指數(shù)的關(guān)系見表1。

表1　圍巖巷道穩(wěn)定性指數(shù)Table 1　Stability index of surrounding rock of roadway

2.2采空區(qū)下回采巷道位置參數(shù)

根據(jù)下層位煤層回采巷道實(shí)際圍巖強(qiáng)度和巷道需求的穩(wěn)定程度,確定巷道所在位置的最大主應(yīng)力允許值范圍,計(jì)算巷道穩(wěn)定性指數(shù)。巷道與上部煤層之間的垂直距離,即上下兩煤層間的垂直距離,通常應(yīng)不超過50m(此范圍已在上層位煤層回采空間形成的應(yīng)力降低區(qū)以外,此時(shí)再將回采巷道布置在采空區(qū)下已沒有意義)。由于上下兩煤層間距[3]確定,故回采巷道與上層位煤層開采工作面之間的垂直距離z確定,在已知回采巷道與上部煤層之間垂直距離的情況下,下層位煤層回采巷道與上部煤體邊緣之間的合理水平距離x如表2所示。

表2　回采巷道與上層位煤層邊緣之間的水平距離Table 2　Horizontal distance between edge of upper coal seam and roadway

3　數(shù)值模擬

3.1三維模型

以某礦傾斜煤巖層采空區(qū)下布置回采巷道為例,運(yùn)用FLAC3D軟件對在采空區(qū)下回采巷道布置問題進(jìn)行數(shù)值模擬研究[11-12]。對于有傾角的煤巖層,采用八個(gè)點(diǎn)控制建模,三維模型如圖3所示,模型尺寸為200 m×200 m×200 m,共劃分成96 000個(gè)網(wǎng)格,模型煤巖層傾角約為30°。

圖3　三維地質(zhì)模型Fig. 3　Three-dimensional geological model

由于此次研究對象均為煤層或巖層,故確定數(shù)值計(jì)算的本構(gòu)模型為摩爾-庫倫本構(gòu)準(zhǔn)則。根據(jù)礦井地質(zhì)勘探提供的地質(zhì)柱狀圖確定模型主要地層及巖性參數(shù)(表3),并對模型施加重力條件和均布載荷。

3.2結(jié)果分析

3.2.1工作面開挖處理

根據(jù)開挖計(jì)劃,首先對上層位煤層工作面進(jìn)行開挖處理。模型傾向的水平距離為200 m,模擬工作面長度為140 m,沿走向開挖,每次開挖10 m,開挖10次,共開挖100 m。工作面開挖計(jì)算平衡后,垂直方向上的應(yīng)力、變形及塑性變化如圖4所示。

由圖4可知,傾斜煤巖層系間z方向的應(yīng)力、應(yīng)變受煤巖層傾角影響非常明顯。由于傾角的存在,煤巖層開挖時(shí)容易在有些區(qū)域形成明顯的拉張區(qū),該拉張區(qū)卸壓、變形明顯。若在拉張區(qū)開掘巷道,將在很大程度上增加巷道維護(hù)成本,縮短巷道使用壽命。

表3　模型主要地層及巖性參數(shù)Table 3　Main stratigraphy and lithology parameters of model

圖4　垂直方向上的應(yīng)力、變形及塑性變化Fig. 4　Vertical direction of stress, deformation and plastic changes

3.2.2回采巷道布置

工作面開挖計(jì)算平衡后,即進(jìn)行采空區(qū)下回采巷道開挖工作。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,得到采空區(qū)下布置回采巷道時(shí)垂直方向上產(chǎn)生的應(yīng)力和位移變化情況,如圖5所示。

由以上分析可知,回采巷道應(yīng)布置在采空區(qū)的左下方,具體位置可以通過開挖計(jì)算平衡后應(yīng)力云圖上下層位煤層所在應(yīng)力降低區(qū)域和位移云圖上下層位煤層所在的小變形區(qū)域來獲得,如圖5a所示,應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi)應(yīng)力值不超過5 MPa,圖5b所示,小變形區(qū)域內(nèi)變形尺寸不超過100 mm。

圖5　開挖后回采巷道垂直方向上的應(yīng)力和位移云圖Fig. 5　Vertical direction stress nephogram and displacement nephogram after excavation

4　結(jié)　論

(1)深部礦井兩煤層聯(lián)合開采時(shí),將下層位煤

層的回采巷道布置在上部煤層的采空區(qū)下,可有效防止巷道大變形,降低巷道的返修率,減少巷道臥底量。

(3)文中僅研究了煤巖層傾角約為30°的地質(zhì)模型,而回采巷道位置參數(shù)x與煤巖層傾角α函數(shù)關(guān)系,尚待進(jìn)一步研究。

[1]郝傳波, 張國華, 肖福坤, 等. 頂板節(jié)理裂隙發(fā)育條件下回采巷道的坍塌形態(tài)[J]. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2013(1): 1-5.

[2]張海韋, 張農(nóng), 闞甲廣, 等. 采空區(qū)下軟煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2010(8): 25-29.

[3]錢鳴高, 石平五, 許家林. 礦山壓力與巖層控制[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2003: 66-67.

[4]肖福坤, 孫豁然. 深井巷道圍巖穩(wěn)定性分析[J]. 中國礦業(yè), 2008, 17(5): 97-99.

[5]閆晉峰. 煤礦回采巷道礦山壓力控制與支護(hù)探析[J]. 科技與企業(yè), 2013(6): 227.

[6]東兆星, 吳士良. 井巷工程[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2009: 149-151.

[7]侯朝炯, 郭勵(lì)生. 煤巷錨桿支護(hù)[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 1999: 125-128.

[8]李榮坤. 采空區(qū)下回采巷道布置與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析[J]. 煤炭工程, 2011(8): 48-49.

[9]郭倉, 譚志祥, 牛海鵬.FLAC3D在采礦工程中的應(yīng)用[J].科技信息, 2012(4): 41-42.

[10]徐永圻. 采礦學(xué)[M]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 2003: 343-348.

[11]汪吉林, 丁陳建, 吳圣林. 基于FLAC3D的復(fù)雜地貌三維地質(zhì)建模[J]. 地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào), 2008(2): 149-157.

[12]孫書偉, 林杭, 任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2011: 404-408.

[13]郭延華， 李良紅， 張?jiān)鱿椋?等. 內(nèi)錯(cuò)式下分層回采巷道圍巖變形破壞機(jī)理研究[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)： 自然科學(xué)版， 2007(2)： 20-22， 30.

(編輯荀海鑫)

Numerical simulation of arranging mining roadway under inclined seam goaf in deep mine

XIAOFukun,LUGaoming,SHENZhiliang,ZHANGFengrui,ZHANGZe

(Heilongjiang Ground Pressure & Gas Control in Deep Mining Key Lab, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is devoted to studying the reduction of the amount of roadway deformation, the amount of undercover, and the roadway repair rate. This study, relying on the practical case of a mine, deals with an analysis of the behavior law governing the rock pressure of the mining roadway arranged under the goaf and positional parameters of mining roadway and development of numerical simulation using FLAC3Dfast Lagrangian analysis method. The results show that, coal seam roadway with two layers of coal subjected to combined mining should be arranged under the goaf of the stabilized upper coal seam and the horizontal distance between the roadway and the upper coal seam is made possible by taking the intersection between the stress-reducing area and small deformation area of the lower coal seam. The study may provide a reliable theoretical foundation for arranging mining roadway under goaf.

mining roadway; mine pressure; deep mining; inclined seam; numerical simulation

2013-07-18

教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(210064)

肖福坤(1971-),男,遼寧省西豐人,教授,博士,研究方向:礦山壓力與控制,E-mail:xiaofukun@sohu.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.06.001

TD315

1671-0118(2013)06-0505-05

A