魏 飛
(山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司,山西 大同 037104)
無煤柱開采技術(shù)在被推廣以來往往作為最優(yōu)方案進(jìn)行應(yīng)用,它解決了窄煤柱護(hù)巷過程中巷道維護(hù)困難、安全威脅大、維護(hù)成本高等問題;同時(shí)寬煤柱護(hù)巷過程中煤炭資源損失浪費(fèi)的問題也得到了極大改善。無煤柱開采主要包括沿空留巷與沿空掘巷兩種技術(shù),而沿空留巷又因其資源回收率高,通風(fēng)效果良好等優(yōu)點(diǎn)更是被廣泛接受。但在應(yīng)用過程中巷旁支護(hù)系統(tǒng)的選擇又成為一個(gè)新的課題。煤炭科技工作者就此開展了大量的科研工作,尤其是在巷旁支護(hù)體材料的選擇上收獲了豐碩成果。梁登勇、任智敏等[1-2]選擇利用混凝土隔墻作為高強(qiáng)度的巷旁支護(hù),這種支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)強(qiáng)度高,能夠最大程度地控制巷道變形,降低了巷道的維護(hù)費(fèi)用。但因其成本較高,加之工序較為復(fù)雜,且早期強(qiáng)度低等缺點(diǎn)而被逐步淘汰。隨著膏體充填技術(shù)的不斷成熟,充填膏體巷旁支護(hù)技術(shù)成為當(dāng)前沿空留巷支護(hù)系統(tǒng)的首選方式,專家學(xué)者也就此進(jìn)行了大量工程實(shí)踐及科學(xué)研究。柏建彪等[3]通過對(duì)沿空留巷充填體運(yùn)用力學(xué)分析建立了充填體力學(xué)模型,得到在不同條件下巷道的支護(hù)體支護(hù)阻力及合理留設(shè)寬度。王曉虎等[4]利用關(guān)鍵層理論,對(duì)影響巷旁充填體穩(wěn)定性的關(guān)鍵塊進(jìn)行了理論計(jì)算,并建立了力學(xué)模型,探究了充填體的合理寬度。陳勇、張東升等[5-6]綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、相似材料模擬及現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn),對(duì)充填體與圍巖相互作用進(jìn)行了深入研究,得到了充填體力學(xué)響應(yīng)機(jī)制與變形特征并對(duì)充填體的寬度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。謝文兵等[7]研究分析了不同寬高比條件下巷旁充填體支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提出充填體的寬高比在0.8 時(shí)能夠發(fā)揮最大的支護(hù)效果。張鎮(zhèn)[8]則通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)深部條件下巷旁支護(hù)體寬度進(jìn)行了深入探究,認(rèn)為深部條件下充填體的寬高比應(yīng)不小于1。在沿空留巷充填支護(hù)體的設(shè)計(jì)方面盡管已經(jīng)卓有成效,但對(duì)其寬度的計(jì)算研究較少,特別是對(duì)煤層堅(jiān)硬頂板條件下,常規(guī)方法計(jì)算確定的充填支護(hù)系統(tǒng)難以有效維護(hù)。因此,煤層堅(jiān)硬頂板條件下充填支護(hù)體寬度的合理設(shè)計(jì)研究對(duì)于礦井安全高效生產(chǎn)而言也就迫在眉睫。本文以山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司4102 綜放工作面為工程背景,綜合運(yùn)用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)堅(jiān)硬頂板條件下充填體合理寬度優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,以保證礦井生產(chǎn)的正常進(jìn)行,也能為條件相似礦井提供技術(shù)參考。
4102 綜放工作面地面標(biāo)高+1376.2~+1408 m,井下標(biāo)高+1120~+1140 m,平均埋深256 m,工作面走向長(zhǎng)1195.5~1214.1 m,平均長(zhǎng)1204.8 m,傾向長(zhǎng)148.5 m,平均煤厚為5.38 m,傾角1°~4°,平均3°,為近水平煤層,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。直接頂為厚15.37 m 的中、細(xì)砂巖,普氏系數(shù)為8,老頂為厚12.28 m 的粗、中砂巖,普氏系數(shù)為7.7,屬堅(jiān)硬頂板,直接底為泥巖,厚1.3 m。該工作面巷道支護(hù)形式為錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),在工作面回采前對(duì)留巷預(yù)先進(jìn)行加固。巷旁充填體材料為高強(qiáng)度膏體充填材料,并在充填體兩側(cè)布設(shè)鋼筋進(jìn)行加固處理。
隨工作面開采,堅(jiān)硬頂板巖層狀態(tài)不斷發(fā)生變化,巷旁充填體支護(hù)阻力隨頂板巖層狀態(tài)變化不斷變化,因此在進(jìn)行支護(hù)體寬度設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮頂板應(yīng)力狀態(tài),分別從支護(hù)初期及支護(hù)后期兩個(gè)時(shí)段對(duì)充填體寬度進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。
(1)支護(hù)初期
在沿空留巷初期,基本頂由于下位巖體能夠提供有效支撐尚未發(fā)生破斷,充填支護(hù)體僅 支承附近破斷直接頂,見圖1。此時(shí)巷旁充填體受力情況見圖2,其受力計(jì)算見式(1)。
圖1 支護(hù)初期充填體承載
圖2 支護(hù)初期充填體力學(xué)模型
式中:Pz1為充填體支護(hù)阻力,MPa;χ0為實(shí)體煤支撐段,一般取巷道寬度4 倍,m;c 為巷道寬度,m;m 為煤層厚度,m;n 為采高倍數(shù);γ0為直接頂巖石容重;α1為充填體寬度,m。
因此,在留巷初期為充填體能夠穩(wěn)定發(fā)揮支護(hù)效果,充填體的受力應(yīng)滿足式(2)
式中:σ1為充填體初期強(qiáng)度。
由式(2)可得留巷初期巷旁充填體寬度應(yīng)滿足式(3)所示條件。
(2)支護(hù)后期
當(dāng)控頂范圍達(dá)到一定程度,基本頂發(fā)生破斷,此時(shí)充填體外側(cè)支撐阻力增大,此時(shí)充填體承載見圖3,受力簡(jiǎn)圖見圖4。此時(shí)支護(hù)阻力可用式(4)進(jìn)行求解。
圖3 支護(hù)后期充填體承載
圖4 支護(hù)后期充填體力學(xué)模型
式中:Pq為切頂阻力,MPa;h 為直 接頂厚度,m;Nc為空區(qū)側(cè)剪應(yīng)力,MPa;t0為回轉(zhuǎn)時(shí)間,h;δy 為煤體支護(hù)阻力,MPa;Tc 為沿巖層方向的推力,kN;ΔSB為基本頂跨落前懸臂梁前端下沉量,m;q0為直接頂單位長(zhǎng)度自重;a2為充填體寬度,m。
因此,在支護(hù)后期的充填體受力應(yīng)滿足式(5)。
式中:σ2為充填體最終強(qiáng)度。由式(5)可得留巷初期巷旁充填體寬度應(yīng)滿足式(6)條件。
將工作面與充填體相關(guān)參量帶入到式(3)、(6)對(duì)支護(hù)體寬度進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算求得4102 綜放工作面巷旁充填體寬度范圍為1.8~4.15 m。
通過力學(xué)計(jì)算初步得到了充填體的合理寬度范圍,為進(jìn)一步確定巷旁充填體的合理寬度,運(yùn)用FLAC3D模擬軟件對(duì)不同充填體寬度條件下的應(yīng)力分布特征及變形情況進(jìn)行深入研究分析,以期確定充填體的最優(yōu)寬度。
基于FLAC3D建模原理,根據(jù)所選區(qū)域采礦地質(zhì)條件,建立如圖5所示的數(shù)值模型,模型幾何尺寸為400 m(長(zhǎng))×1300 m(寬)×300 m(高),模擬地層主要參數(shù)為:煤層厚5.38 m,埋深256 m。根據(jù)計(jì)算分析的需要,同時(shí)考慮計(jì)算效率,對(duì)巖層厚度及性質(zhì)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化:選取的巖層傾角較小,因此在進(jìn)行建模分析時(shí),巖層按照水平布置;在網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)采取了非均勻劃分,在煤層及其頂?shù)装甯浇W(wǎng)格劃分較為密集,遠(yuǎn)離煤層的巖層網(wǎng)格劃分較為稀疏。模型建立后,模型頂部為自由面,在水平方向的四個(gè)邊界施加水平方向的位移約束,并限制底部垂直方向位移。充填體寬度根據(jù)力學(xué)計(jì)算結(jié)果分別取2 m、3 m、4 m。
圖5 數(shù)值模型
本次數(shù)值模擬采用模型為庫倫—摩爾模型。模擬過程中模型各層位巖石的力學(xué)參數(shù)來自現(xiàn)場(chǎng)試樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)后獲得的參數(shù),主要包括密度、體積模量、剪切模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度等,具體取值見表1。
表1 各巖層巖性參數(shù)
(1)不同寬度條件下充填體變形情況
圖6為不同寬度條件下支護(hù)體變形情況。可以看出,當(dāng)充填體寬度為2 m 時(shí)變形最大,3 m 時(shí)次之,4 m 時(shí)最小。并通過對(duì)充填體水平及垂直位移云圖見圖7、圖8,發(fā)現(xiàn)充填體寬度為2 m、3 m、4 m 時(shí),其最大水平位移分別為1.20 m、0.67 m、0.26 m,垂直位移為分別為1.34 m、0.73 m、0.19 m,由此可知,隨寬度的增加充填體支承能力提高,水平、垂直變形逐漸減小,在合理寬度范圍內(nèi)4 m的支護(hù)體寬度對(duì)于巷道維護(hù)最有利。
圖6 不同寬度條件下支護(hù)體變形情況
圖7 不同寬度條件下支護(hù)體x 向水平位移云圖
圖8 不同寬度條件下支護(hù)體垂直位移云圖
(2)不同寬度條件下充填體應(yīng)力分布特征
通過提取充填體不同時(shí)段的垂直應(yīng)力曲線,見圖9,發(fā)現(xiàn)寬度為2 m 時(shí)在支護(hù)初期充填體垂直應(yīng)力為1.5 MPa,隨時(shí)間推移,垂直應(yīng)力出現(xiàn)先升高后下降的現(xiàn)象,當(dāng)最終垂直應(yīng)力穩(wěn)定在1.0 MPa時(shí),基本不再發(fā)生變化;寬度為3 m、4 m 的曲線與其相類似,但在承載過程中出現(xiàn)了兩次升高,最終垂直應(yīng)力分布穩(wěn)定在2.75 MPa、3.14 MPa。由此可知在支護(hù)初期充填體能夠較好地發(fā)揮支護(hù)能力,支護(hù)效果良好,當(dāng)基本頂發(fā)生斷裂后,支護(hù)體承擔(dān)的重量增加,其垂直應(yīng)力增加。由于支護(hù)體本身強(qiáng)度并不高,隨支護(hù)阻力增加,支護(hù)體被壓縮承載能力下降,但隨著上覆巖層觸矸其支護(hù)阻力不再發(fā)生變化,且支護(hù)體寬度越大,承載能力越強(qiáng),因此,在合理寬度范圍內(nèi),選擇4 m 支護(hù)體寬度能夠發(fā)揮最佳的承載能力。
圖9 不同寬度條件下支護(hù)體垂直位移云圖
1)通過理論分析對(duì)4102 綜放工作面沿空留巷巷旁支護(hù)體寬度進(jìn)行了分析研究,分別建立了支護(hù)早期和支護(hù)后期的力學(xué)模型,并通過計(jì)算得到在堅(jiān)硬頂板下巷旁充填體寬度的合理范圍為1.8~4.15 m。
2)依據(jù)理論計(jì)算結(jié)果,選取支護(hù)體寬度為2 m、3 m、4 m,運(yùn)用FLAC3D模擬軟件分別對(duì)不同支護(hù)體寬度條件下的應(yīng)力分布規(guī)律及變形情況進(jìn)行了研究分析。結(jié)果表明,支護(hù)體寬度為4 m 時(shí),支護(hù)體變形量最小且其支護(hù)效果最佳。因此,確定該工作面巷旁充填支護(hù)體的合理寬度為4 m。
參考文獻(xiàn)著錄格式及示例(1)
論文集:
格式:[序號(hào)]作者名.論文題名[C].論文集名.出版地:出版者,出版年:起止頁碼.
示例: 陳清如.大力發(fā)展高效的干法選煤新技術(shù)[C].潔凈煤技術(shù)國際研討會(huì)論文集.北京:煤炭工業(yè)出版社,1997:25-28.
報(bào)告:
格式:[序號(hào)]作者(責(zé)任單位).報(bào)告名稱[R].保存地:保存單位,年份:起止頁碼.
示例:新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司.千米深井巷道錨桿支護(hù)配套技術(shù)研究與應(yīng)用[R].新泰:新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,2000:15-20.
學(xué)位論文:
格式:[序號(hào)]作者名.論文題名[D].保存地點(diǎn):保存單位,年份:起至頁碼.
示例: 姚金星.尾部煙氣增濕活化脫硫技術(shù)研究[D].北京:清華大學(xué),1998:31-42.