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    向斜構(gòu)造區(qū)域綜采面超前支承壓力分布規(guī)律研究

    2021-02-25 03:44:18金志遠(yuǎn)高林生
    能源與環(huán)保 2021年2期
    關(guān)鍵詞:斜軸單體液壓

    金志遠(yuǎn),高林生

    (1.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院,貴州 貴陽 550003; 2.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,河北 廊坊 065201)

    向斜是煤礦常見的一種構(gòu)造,由于地應(yīng)力的影響和向斜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),向斜軸部和兩翼受力及應(yīng)力分布存在差異,而采煤工作面推采通過向斜構(gòu)造過程中,由于受超前支承壓力影響,回采巷道會發(fā)生變形破壞。為了使回采巷道斷面能夠達(dá)到滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求,就需要在采煤工作面前方一定范圍內(nèi)對回采巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),也就是超前支護(hù),目前常用的超前支護(hù)方式主要有單體液壓支護(hù)+鉸接頂梁,或單體液壓支護(hù)+Π型鋼梁,或者超前支架。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定,采煤工作面超前支護(hù)范圍不得小于20 m,但是由于各個(gè)礦區(qū)的地質(zhì)條件、煤層賦存條件存在差異,超前支護(hù)范圍也存在差異。另外,由于受超前支承壓力影響,回采巷道超前支護(hù)段的應(yīng)力分布也存在差異,而研究回采巷道超前支護(hù)段的應(yīng)力分布規(guī)律是超前支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。針對某礦1204綜采面通過向斜構(gòu)造過程中回采巷道的超前支護(hù)問題,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立與1204綜采面覆巖地層相似的模型,模擬實(shí)際煤層開采,研究采煤工作面推采通過向斜構(gòu)造過程中俯采階段、向斜軸部階段和仰采階段的超前支承壓力分布規(guī)律,與此同時(shí)采用壓力表測試方式,測定超前支護(hù)段的單體液壓支柱壓力,實(shí)測采煤工作面的超前支承壓力,并與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析,為合理的超前支護(hù)方案制定奠定基礎(chǔ)。

    1 工作面概況

    1204工作面布置在二疊系下統(tǒng)山西組2號煤層中,地面大部分被第三、四系黃土覆蓋,東部為上示嶺丘陵地帶,北部為南嶺和正溝的山坡地帶,由2個(gè)向斜和1個(gè)背斜構(gòu)成,工作面整體為南東高、北西低,煤層蓋山厚334~487 m。該綜采面西鄰一采區(qū)邊界,南為已開采的1202綜采面,東鄰集中軌道巷,北為正在開采的1206綜采面。1204工作面對應(yīng)的地面標(biāo)高為+948~+1 103 m,井下標(biāo)高為+495~+541 m;走向長度1 980 m,傾向長度167 m。

    2號煤層厚度為2.50~3.95 m,平均為3.20 m;傾角為3°~8°,平均為6°。基本頂為砂質(zhì)泥巖,厚度為6.5 m;直接頂為泥質(zhì)頁巖,厚度為1.6 m;直接底為砂質(zhì)頁巖,厚度為2.4 m;基本底為細(xì)粒砂巖,厚度2.42 m。工作面采用綜合機(jī)械化采煤法,全部垮落法控制頂板。

    2 超前支護(hù)方式的選擇

    目前我國煤礦綜采面采用的超前支護(hù)方式主要有:單體液壓支柱+金屬頂梁方式(包括“單體液壓支柱+一字金屬鉸接頂梁”、“單體液壓支柱+十字金屬鉸接頂梁”和“單體液壓支柱+Π型鋼梁”)和超前支架。不同超前支護(hù)方式對比見表1。

    表1 不同超前支護(hù)方式對比Tab.1 Comparison of different advanced supporting methods

    根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件,通過對不同超前支護(hù)方式的缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析,確定1204綜采面超前支護(hù)方式為“單體液壓支柱+Π型鋼梁”。單體液壓支柱選用DZ-35型,Π型鋼梁選用DFB4000-300型,超前支護(hù)設(shè)計(jì)為40 m,單體液壓支柱穿鞋。

    3 數(shù)值模型建立

    采煤工作面推進(jìn)距離不同時(shí),覆巖結(jié)構(gòu)特征不同,在其自重壓力和采動影響共同作用下,綜采面超前支承壓力分布規(guī)律存在差異性[1-5];另一方面,綜采面受構(gòu)造影響時(shí),基本頂和直接頂結(jié)構(gòu)特征及受力特點(diǎn)不同,引起綜采面超前支承壓力分布規(guī)律不同[6-7]。根據(jù)1204綜采面的生產(chǎn)地質(zhì)條件,采用FLAC3D三維數(shù)值模擬軟件,針對向斜構(gòu)造區(qū)域(包括過向斜軸部階段、俯采階段和仰采階段),開展了超前支承壓力分布規(guī)律研究。

    根據(jù)1204綜采面的生產(chǎn)地質(zhì)條件,建立向斜模型(圖1),模擬綜采面向斜構(gòu)造區(qū)域回采,研究向斜構(gòu)造區(qū)域綜采面超前支承壓力分布規(guī)律??紤]邊界影響、綜采面預(yù)期可能達(dá)到的超前支承壓力影響范圍及此次研究需要開挖的最大尺寸,確定模型長×寬×高=300 m×300 m×100 m。模型的左、右及下邊界均為位移固定約束邊界,上邊界為應(yīng)力邊界,按上覆巖層厚度施加均布載荷。為使模擬結(jié)果真實(shí)反映客觀實(shí)際,煤層本構(gòu)關(guān)系采用應(yīng)變軟化模型,巖層本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb模型。采用界面單元模擬巖層層面。

    圖1 向斜模型Fig.1 Syncline model

    向斜構(gòu)造區(qū)域綜采面開采模擬設(shè)計(jì)如下:綜采面推進(jìn)30 m,模擬俯采階段(俯采角度為10°);綜采面推進(jìn)50 m,模擬過向斜軸部階段(傾角為0°);綜采面推進(jìn)78 m,模擬仰采階段(仰采角度為10°)。測線布置:在綜采面內(nèi),靠近材料巷一側(cè)布置1條測線A-A,在運(yùn)輸巷一側(cè)布置1條測線B-B,監(jiān)測采煤面超前支承應(yīng)力變化,測線布置如圖2所示。

    圖2 測線布置Fig.2 Survey line layout

    4 超前支承壓力分布規(guī)律

    4.1 俯采階段

    俯采階段超前支承壓力分布云圖如圖3所示,綜采面超前支承壓力變化曲線如圖4所示。

    圖3 俯采階段綜采面超前支承應(yīng)力分布云圖Fig.3 Cloud map of leading support stress distribution in fully-mechanized mining face in subduction working stage

    圖4 俯采階段綜采面超前支承壓力分布曲線Fig.4 Distribution curve of advanced abutment pressure in fully-mechanized mining face in subduction working stage

    (1)運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍為42.4 m,綜采面前方0~23.6m為劇烈影響區(qū),23.6~42.4 m為微弱影響區(qū),應(yīng)力峰值為18.6 MPa,在綜采面前方14.4 m處,應(yīng)力集中系數(shù)為1.86;材料巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍為41.7 m,綜采面前方0~22.8 m為劇烈影響區(qū),22.8~41.7 m為微弱影響區(qū),應(yīng)力峰值為18 MPa,在綜采面前方13.9 m處,應(yīng)力集中系數(shù)為1.8。與材料巷相比,運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍增大0.5 m,應(yīng)力峰值增大了0.6 MPa,距綜采面的距離增大了0.5 m,應(yīng)力集中系數(shù)增大了0.06。

    (2)俯采時(shí),在基本頂結(jié)構(gòu)及上覆巖層的重力作用下,與沿水平方向回采時(shí)相比,力的作用點(diǎn)前移,使得超前支承壓力影響范圍和應(yīng)力峰值位置距綜采面的距離都變大,根據(jù)俯采時(shí)基本頂受力特點(diǎn),作用在基本頂?shù)牧κ菐r層自重的分力,因此,超前支承壓力應(yīng)力集中程度相對較小。

    4.2 過向斜軸部階段

    過向斜軸部階段超前支承壓力分布云圖如圖5所示,超前支承壓力變化曲線如圖6所示。

    圖6 過向斜軸部綜采面超前支承壓力分布曲線Fig.6 Distribution curve of advanced abutment pressure in fully-mechanized working face when crossing syncline axis

    (1)運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍為35.6 m,綜采面前方0~20.6 m為劇烈影響區(qū),20.6~39.7 m為微弱影響區(qū),應(yīng)力峰值為24.9 MPa,在綜采面前方11.8 m處,應(yīng)力集中系數(shù)為2.46;材料巷的超前支承壓力影響范圍為35.3m,綜采面前方0~19.8 m為劇烈影響區(qū),19.8~39.3 m為微弱影響區(qū),應(yīng)力峰值為24 MPa,在綜采面前方11.2 m處,應(yīng)力集中系數(shù)為2.4。與材料巷相比,運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍增大了0.4 m,應(yīng)力峰值增大了0.9 MPa,距綜采面的距離增大了0.6 m,應(yīng)力集中系數(shù)增大了0.09。

    (2)過向斜軸部時(shí),由于受構(gòu)造影響,圍巖應(yīng)力集中程度較大,且圍巖比較破碎,綜采面超前支承壓力影響程度較俯采時(shí)大,但影響范圍較俯采時(shí)小。與正常回采時(shí)相比,超前支承壓力影響范圍和應(yīng)力集中程度都大[8-12]。

    4.3 仰采階段

    仰采階段綜采面超前支承壓力分布云圖如圖7所示,超前支承壓力變化曲線如圖8所示。

    圖7 仰采階段綜采面超前支承應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud map of leading support stress distribution in fully-mechanized mining face in upward working stage

    (1)運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍為32.6 m,綜采面前方0~19.1 m為劇烈影響區(qū),19.1~32.6 m為微弱影響區(qū),應(yīng)力峰值為23.3 MPa,在綜采面前方8.8 m處,應(yīng)力集中系數(shù)為2.33;材料巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍為31.9 m,綜采面前方0~18.8 m為劇烈影響區(qū),18.8~31.9 m為微弱影響區(qū),應(yīng)力峰值為23.1 MPa,在綜采面前方8.6 m處,應(yīng)力集中系數(shù)為2.31。與材料巷相比,運(yùn)輸巷側(cè)的超前支承壓力影響范圍增大0.7 m,應(yīng)力峰值增大了0.2 MPa,距綜采面的距離增大了0.2 m,應(yīng)力集中系數(shù)增大了0.02。

    圖8 仰采階段綜采面超前支承壓力分布曲線Fig.8 Distribution curve of advanced abutment pressure in fully-mechanized mining face in upward working stage

    (2)仰采時(shí),綜采面超前支承壓力向采空區(qū)方向傾斜,因此支承壓力影響范圍較俯采時(shí)的小,但直接頂隨著綜采面的向前推進(jìn),隨采隨冒,基本頂巖層斷裂成的巖塊在重力的作用下向采空區(qū)方向旋轉(zhuǎn)、下滑,使得綜采面液壓支架上方巖層結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定,引起礦壓顯現(xiàn)極其劇烈,使得超前支承壓力集中程度較俯采時(shí)大[13-15]。

    5 現(xiàn)場實(shí)測

    由于運(yùn)輸巷安裝有帶式輸送機(jī),空間受限不方便實(shí)測,因此只在材料巷用壓力表對超前支護(hù)范圍內(nèi)的單體液壓支護(hù)壓力進(jìn)行了實(shí)測。實(shí)測結(jié)果如圖9所示。

    圖9 單體液壓支柱壓力分布曲線Fig.9 Pressure distribution curve of single hydraulic prop

    由圖9可知:①俯采階段,工作面前方0~21.4 m為劇烈影響區(qū),21.4~40.0 m為微弱影響區(qū),應(yīng)力峰值在工作面前方12.3m處,應(yīng)力集中系數(shù)為1.71;②過向斜軸部階段,工作面前方0~18.3 m為劇烈影響區(qū),18.3~35.0 m為微弱影響區(qū),應(yīng)力峰值在工作面前方10.5 m處,應(yīng)力集中系數(shù)為2.48;③仰采階段,工作面前方0~18m為劇烈影響區(qū),18~33 m為微弱影響區(qū),應(yīng)力峰值在工作面前方8.95 m處,應(yīng)力集中系數(shù)為2.22。

    6 結(jié)論

    (1)對比分析不同超前支護(hù)方式的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合1204綜采面的工程地質(zhì)條件,確定超前支護(hù)方式為“單體液壓支柱+Π型鋼梁”,單體液壓支柱選用DZ-35型,Π型鋼梁選用DFB4000-300型。

    (2)數(shù)值模擬得出:向斜構(gòu)造區(qū)域回采時(shí):俯采階段,工作面超前支承壓力影響范圍為42 m,應(yīng)力集中系數(shù)為1.83;過向斜軸部階段,工作面超前支承壓力影響范圍為35.4 m,應(yīng)力集中系數(shù)為2.45;仰采階段,超前支承壓力影響范圍為32.2 m,應(yīng)力集中系數(shù)為2.32。

    (3)現(xiàn)場實(shí)測得出:俯采階段,工作面超前支承壓力影響范圍為40 m,應(yīng)力集中系數(shù)為1.71;過向斜軸部階段,工作面超前支承壓力影響范圍為35 m,應(yīng)力集中系數(shù)為2.48;仰采階段,工作面超前支承壓力影響范圍為33 m,應(yīng)力集中系數(shù)為2.22。

    (4)向斜構(gòu)造區(qū)域回采時(shí),過向斜軸部階段的應(yīng)力集中程度最大,仰采階段的次之,俯采階段的最??;但俯采階段的支承壓力影響范圍最大,過向斜軸部階段的次之,仰采階段的最小。

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