蹬空區(qū)復(fù)采工作面回采巷道布置及圍巖穩(wěn)定性研究

史 通

(山西中鋼煤業(yè)有限公司,山西 呂梁 033400)

礦區(qū)開采一般為下行開采[1],但在某些特殊情況下[2-3],如受開采技術(shù)水平和特殊歷史條件的限制[4],不得不采取上行開采的方式[5]。上行開采自身也有其優(yōu)點(diǎn)[6-7],而且可以將下行開采轉(zhuǎn)變?yōu)樽韵露系男秹洪_采[8]。

1 礦井概況

本礦始建于1957年,于2005年閉坑,期間采用“房柱式”等落后的采煤方法,實(shí)際采出率不及25%,造成了煤炭資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。隨著采礦理論和采礦工藝的不斷發(fā)展,這些未被有效利用的舊采殘留煤炭資源即“殘煤”的再次開發(fā)利用技術(shù)日趨成熟。迫于煤炭資源的日益減少,回收采空區(qū)的煤炭資源勢在必行。

1.1 3號(hào)煤層舊采區(qū)情況

3號(hào)煤層位于15號(hào)煤層之上平均107.47 m。地層傾角在3°～6°之間,較為平緩,2006年之前為小煤窯開采,自然通風(fēng),井下采用羅盤定向及房柱式采煤方法,放炮落煤,自然垮落法管理頂板,木棚支護(hù),人力、畜力運(yùn)輸，以掘代采,采掘難以區(qū)分。3號(hào)煤掏幫后空區(qū)寬度約6 m～10 m,遺留煤柱寬度約930 m。隨著15號(hào)煤層的開采,3號(hào)煤層會(huì)出現(xiàn)更多的蹬空區(qū),復(fù)采更加困難，蹬空區(qū)儲(chǔ)量共計(jì)113萬t。

1.2 15號(hào)煤層開采情況

15號(hào)煤層賦存于太原組下部,上距3號(hào)煤層底105.82 m～109.12 m,平均107.47 m，下距太原組底砂巖(K1)頂12.9 m。井田內(nèi)15號(hào)煤層僅在東南角有不規(guī)則的剝蝕現(xiàn)象。煤層厚度4.6 m～5.01 m,平均厚4.44 m。煤層結(jié)構(gòu)簡單,含1層夾矸,夾矸厚度0.17 m～1.26 m。頂板一般為K2灰?guī)r,厚5.61 m～9.51 m,平均厚7.40 m。底板為灰黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖,厚10.31 m～15.60 m,平均厚12.70 m。

2 數(shù)值模擬分析

本次模擬采用FLAC3D有限差分程序計(jì)算,其在數(shù)學(xué)上采用拉格朗日差分分析法,是專為采礦、巖土、地質(zhì)工程等巖石力學(xué)問題服務(wù)的計(jì)算程序。

2.1 建立數(shù)值模型并確定模擬方案

30101工作面平面布置與蹬空區(qū)范圍見圖1所示。根據(jù)關(guān)嶺山3號(hào)及15號(hào)煤層地質(zhì)情況,建立xyz=290 m×150 m×140 m的數(shù)值模型,x方向?yàn)?/p>

煤層的傾向,y方向?yàn)槊簩拥淖呦?共劃分279 480個(gè)單元格,295 182個(gè)節(jié)點(diǎn)。舊空區(qū)寬度取10 m?；仫L(fēng)順槽斷面為矩形斷面,寬×高=5 m×4.5 m。兩煤層層間距為72 m。該模型采用Mohr-Coubmb準(zhǔn)則計(jì)算,選取的各巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示,建立的初始計(jì)算模型見圖2。

圖1 30101工作面平面布置與蹬空區(qū)范圍Fig.1 The layout of 30101 working face and the range of hollow area

巖性體積模量/GPa剪切模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa粘聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)密度/(kg·m-3) 石英砂巖4.60E+094.25E+097.00E+052.50E+06252 200 砂質(zhì)泥巖6.20E+095.00E+092.50E+051.80E+06252 500 中粒砂巖6.20E+095.00E+096.00E+052.20E+06282 550 泥巖2.90E+092.44E+091.55E+062.56E+06222 360 3#煤9.38E+086.18E+081.36E+061.75E+06191 470 砂質(zhì)泥巖6.20E+095.00E+092.50E+051.80E+06252 500 石英砂巖4.60E+094.25E+097.00E+052.50E+06252 200 頁巖4.00E+103.20E+101.80E+066.50E+06332 500 砂質(zhì)泥巖6.20E+095.00E+092.50E+051.80E+06252 500 石灰?guī)r3.21E+094.53E+093.27E+063.38E+06252 710 15#煤9.38E+086.18E+081.36E+061.75E+06191 470 泥巖2.90E+092.44E+091.75E+061.96E+06222 360 石灰?guī)r3.21E+094.53E+093.27E+063.38E+06252 710 泥巖2.90E+092.44E+091.55E+062.56E+06222 360

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Calculation model

模型固定約束x、y方向邊界的水平位移,以及z方向下邊界的水平位移和垂直位移,模型上邊界設(shè)為自由面。按3號(hào)煤平均埋深180 m計(jì)算,在模型頂部施加等效應(yīng)力為4.8 MPa豎直方向載荷,數(shù)值模擬邊界示意圖見圖3。

圖3 數(shù)值模擬邊界示意圖Fig.3 Boundary diagram of numerical simulation

根據(jù)30301軌道順槽距采空區(qū)和斷層的距離不同制定三種方案如表2所示:

表2 軌道順槽布置方案Table 2 The layouts of rails and gateways

2.2 模擬過程及結(jié)果分析

模型建立后,先開挖3號(hào)煤老空巷,由于其年限較長,圍巖已重新平衡,因此將模型計(jì)算到平衡,然后分布15號(hào)煤上下兩工作面,接著根據(jù)不同的方案開挖3號(hào)煤復(fù)采工作面回風(fēng)順槽,最后對其進(jìn)行支護(hù)后計(jì)算5 000步。

如圖4所示,當(dāng)回風(fēng)順槽距離舊空區(qū)30 m時(shí),受舊空區(qū)影響很小,但由于其位于15號(hào)煤采空區(qū)上部,受采空區(qū)泄壓作用影響,巷道底板沉陷嚴(yán)重,破壞深度達(dá)到3 m。巷道底板垂直應(yīng)力得到釋放,頂?shù)装鍛?yīng)力較小。

4-a 塑性區(qū)分布

4-b 應(yīng)力云圖圖4 巷道距舊空區(qū)30 mFig.4 30 m from roadway to goaf

如圖5所示,當(dāng)回風(fēng)順槽距離舊空區(qū)20 m時(shí),位于15號(hào)煤采空區(qū)邊界上部,巷道圍巖塑形破壞范圍較小,底板破壞深度為1 m。受舊空區(qū)影響,巷道空區(qū)一側(cè)2 m～4 m范圍內(nèi)出現(xiàn)局部破壞。同時(shí)圍巖應(yīng)力相較于方案一有所增大,受下部采空區(qū)泄壓影響減小。

5-a 塑性區(qū)分布

5-b 應(yīng)力云圖圖5 巷道距舊空區(qū)20 mFig.5 20 m from roadway to goaf

如圖6所示,當(dāng)回風(fēng)順槽距離舊空區(qū)10 m時(shí),受舊空區(qū)影響嚴(yán)重,保護(hù)煤柱完全失效,巷道底板及舊空區(qū)一側(cè)巷幫塑形破壞嚴(yán)重,同時(shí)巷道位于下部15#煤集中煤柱上部,圍巖應(yīng)力較大。

6-a 塑性區(qū)分布

6-b 應(yīng)力云圖圖6 巷道距舊空區(qū)10 mFig.6 10 m from roadway to goaf

通過對三種方案模擬結(jié)果分析可知,方案二受下部采空區(qū)及相鄰舊空區(qū)影響均較小,為最佳方案。

3 設(shè)計(jì)支護(hù)方案

根據(jù)關(guān)嶺山煤業(yè)3號(hào)煤的圍巖結(jié)構(gòu)類型,采用工程類比、理論計(jì)算并結(jié)合數(shù)值模擬確定殘采工作面回風(fēng)順槽的一個(gè)可行的支護(hù)方案。即頂板打5根長度為2.4 m的錨桿,其間排距為1 m×1 m;兩幫各打4根長度為2.4 m的錨桿,其間排距為1 m×1 m;頂錨索按“二·二”布置方式打設(shè),間排距2 m×2 m;錨桿錨索均采用加長錨固,頂板表面采用W鋼帶+金屬網(wǎng)加固,兩幫表面采用鋼筋梯+金屬網(wǎng)加固,具體支護(hù)參數(shù)如表3所示。

表3 回采巷道支護(hù)參數(shù)表Table 3 Supporting parameters of mining roadways

4 結(jié)論

結(jié)合工程地質(zhì)情況,建立數(shù)值模型模擬不同方案可知,回風(fēng)順槽布置在15號(hào)煤采空區(qū)邊界處,受下部采空區(qū)及相鄰舊空區(qū)影響均較小,即方案二為最佳方案可以滿足使用要求。