東河煤礦切頂留巷參數(shù)模擬分析

宋振華

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 能源投資開(kāi)發(fā)有限公司, 山西 太原 030500)

近些年來(lái)，沿空留巷技術(shù)逐步成為礦井開(kāi)采的主要技術(shù)措施之一[1].在沿空留巷過(guò)程中，常采用頂板預(yù)裂法留巷，通過(guò)對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂，減小頂板壓力，以達(dá)到無(wú)煤柱開(kāi)采的目的[2-5].在進(jìn)行切頂卸壓過(guò)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(duì)合理的切頂參數(shù)進(jìn)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(duì)沿空留巷無(wú)煤柱切頂留巷參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證礦井高效開(kāi)采。

1 模型建立

東河煤礦為太原煤炭氣化(集團(tuán))有限責(zé)任公司下屬煤炭企業(yè)，礦井生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/a，批準(zhǔn)開(kāi)采2#煤層，開(kāi)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(jí)植被和灌木林。工作面對(duì)應(yīng)地面位置無(wú)裂隙、塌陷。因此該工作面掘進(jìn)時(shí)受大氣降水、地表水的威脅較小。2206運(yùn)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(shí)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(xì)粒砂巖。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況建立計(jì)算模型對(duì)切頂卸壓留巷進(jìn)行模擬研究，模型長(zhǎng)200 m×寬350 m×高85 m，其中巷道開(kāi)挖尺寸為100 m×200 m×2 m，模型選用摩爾-庫(kù)倫模型為本構(gòu)關(guān)系，設(shè)計(jì)巷道埋深為200 m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分時(shí)在巷道周邊進(jìn)行細(xì)化分，在遠(yuǎn)離巷道的位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇謩澐?，完成模型劃分后?duì)模型的物理屬性進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，物理參數(shù)見(jiàn)表1.完成上述操作后對(duì)模型的邊界條件進(jìn)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(shí)對(duì)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

2 模擬計(jì)算

2.1 切頂高度

分別對(duì)有切頂和無(wú)切頂兩種情況下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，切頂前后巷道圍巖變形云圖見(jiàn)1.

由圖1可以看出，無(wú)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(shí)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(shí)容易出現(xiàn)煤壁片幫等問(wèn)題,不利于巷道穩(wěn)定。當(dāng)巷道進(jìn)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(duì)巷道維護(hù)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(duì)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(shí)圍巖應(yīng)力、位移情況，圍巖應(yīng)力、位移云圖見(jiàn)圖2.

圖2 不同切頂高度時(shí)圍巖應(yīng)力、位移云圖

對(duì)不同切頂高度的卸壓效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)切頂高度對(duì)切頂效果影響較大。當(dāng)切頂高度為6 m時(shí)，實(shí)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(shí)，實(shí)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(duì)比切頂高度6 m，此時(shí)的應(yīng)力集中向著實(shí)體煤幫進(jìn)行轉(zhuǎn)移；當(dāng)切頂高度為8 m時(shí)，實(shí)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(jìn)一步轉(zhuǎn)移?？梢钥闯銮许敻叨仍酱?，出現(xiàn)應(yīng)力集中位置距離巷幫越遠(yuǎn)，相對(duì)的對(duì)于巷道維護(hù)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(duì)比得出當(dāng)切頂高度為7 m時(shí)，有利于巷道圍巖穩(wěn)定，切頂高度最為合理。

2.2 切頂角度

對(duì)切頂角度進(jìn)行模擬分析，模擬切頂角度分別為0°、15°、25°時(shí)圍巖的應(yīng)力、位移情況，圍巖應(yīng)力、位移云圖見(jiàn)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(shí)，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(shí)，采空區(qū)存在大面積低應(yīng)力區(qū)，有利于頂板垮落，同時(shí)當(dāng)切頂角度為0°、15°時(shí)，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(shí)，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(duì)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(shí)，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。

3 結(jié) 論

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(shí)，對(duì)東河煤礦2206工作面巷道穩(wěn)定性維護(hù)最為有利。