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      騰暉礦堅硬頂板切頂充填留巷圍巖變形研究

      2022-03-19 03:12:48楊鵬
      煤炭與化工 2022年1期
      關(guān)鍵詞:切頂采空區(qū)礦井

      楊鵬

      (霍州煤電集團 騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 臨汾 041000)

      0 引 言

      我國煤炭資源在一次能源結(jié)構(gòu)中的占比超過6成,同時存在堅硬頂板的煤層占據(jù)較大比例。堅硬頂板的存在使得礦井開采過程中極易形成懸頂,威脅著礦井的正常生產(chǎn),而留煤柱開采的礦井需要加大煤柱寬度,來保證礦井的安全開采,煤炭資源浪費嚴(yán)重,所以解決礦井頂板堅硬問題是保證礦井安全生產(chǎn)的重要任務(wù)[1]。本文對堅硬頂板沿空留巷充填體的變形進行研究,以期為礦井安全生產(chǎn)提供一定的參考。

      1 概 況

      1.1 礦井概況

      騰暉礦位于山西鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)店溝村,設(shè)計年生產(chǎn)能力120 萬t。井田結(jié)構(gòu)相對簡單,為單斜延伸構(gòu)造,井田地層傾角平均值在5°左右,2202 工作面現(xiàn)主要開采太原組2 號煤層,煤層厚度3.2~6.0 m,煤層的平均厚度為5.6 m。

      1.2 切頂充填留巷理論分析

      沿空留巷頂板活動主要分為3 個階段,其中過渡期階段內(nèi)頂板活動最為劇烈,巷道內(nèi)部圍巖變形幅度明顯。對過渡階段內(nèi)巷道覆巖斷裂變形情況進行分析,根據(jù)斷裂線位置的不同可將其分為3 種,實體煤側(cè)、巷道上方、采空區(qū)側(cè)?;卷敂嗔盐恢梦挥趯嶓w煤柱側(cè),此時工作面沒有得到有效支護,充填體無法支撐基本頂?shù)南鲁粒藭r充填體變形最大;斷裂位置位于巷道上方,此時覆巖發(fā)生較大的離層,充填體的變形基于其他2 種斷裂形式之間;斷裂位置位于采空區(qū)側(cè),是由于充填體支護強度較大,支護較為及時,覆巖不發(fā)生較大的變形,基本頂沿采空區(qū)進行有順序斷裂??梢缘贸觯谶M行沿空留巷充填時,將基本頂斷裂位置控制在采空區(qū)側(cè)對留巷最為有利,所以對基本頂斷裂在采空區(qū)側(cè)進行模擬研究[2]。

      1.3 數(shù)值模型的建立

      結(jié)合騰暉礦2202 工作面地質(zhì)條件,對切頂卸壓沿空留巷進行數(shù)值模擬。選定UDEC 數(shù)值模擬軟件進行模擬計算,根據(jù)實際地質(zhì)情況模型,模型的尺寸為100 m×53 m,斷面尺寸設(shè)定為4.5 m×3 m,充填體的高度設(shè)定為與煤層開采高度相同3 m,對模型進行物理參數(shù)設(shè)定,完成模型物理參數(shù)設(shè)定后,設(shè)定應(yīng)力條件,在模型的上端施加垂直的均布載荷,根據(jù)計算覆巖高度及容重,得出均布載荷數(shù)值為5.5 MPa,模型選定庫倫-摩爾模型,限制模型上下左右的位移,設(shè)定為固定約束。完成模型的初步設(shè)定后,對模型進行模擬計算[3]。

      2 模擬分析

      研究2202 工作面切頂卸壓的可行性,模擬未進行切頂卸壓與切頂卸壓后的沿空留巷情況,切頂卸壓的切頂角度設(shè)定為35°。切頂卸壓前后垂直應(yīng)力分布如圖1 所示。

      圖1 切頂卸壓前后圍巖應(yīng)力分布云圖Fig.1 Stress distribution nephogram of surrounding rock before and after roof cutting pressure relief

      從圖1 中可以看出,當(dāng)未進行切頂卸壓時,此時頂板未發(fā)生充分垮落,形成較大面積的頂板,使得充填體最大的垂直應(yīng)力為15 MPa,當(dāng)對頂板進行切頂卸壓后,巷道頂板充分垮落,應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減小,巷幫充填體的垂直應(yīng)力峰值為9 MPa??梢钥闯鼋?jīng)過切頂卸壓后,充填體的垂直應(yīng)力峰值有了明顯下降,下降6 MPa,這是由于巷道頂板的應(yīng)力在經(jīng)過切頂卸壓后顯著降低,采空區(qū)完成垮落后,垮落的矸石充分填充采空區(qū),使得采空區(qū)進一步被支護,限制了頂板下沉,同時使得充填體的支撐壓力得到較大幅度的降低。

      研究切頂角度對沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響,當(dāng)切頂角度較小時,切頂需要的能量較大,頂板發(fā)生垮落的難度增加,當(dāng)切頂角度較大時,選定角度增加,頂板的下沉較難控制,本文對切頂角度15°、20°、25°、30°、35°、40°等6 個角度下的巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變進行分析[4]。巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變隨切頂卸壓角度變化趨勢如圖2 所示。

      圖2(a) 可以看出,在充填體兩側(cè)由于受到應(yīng)力作用,出現(xiàn)一定程度的破壞,使得應(yīng)力傳遞至充填體中部。隨著切頂角度的增加,垂直應(yīng)力值大致呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,最小值為切頂卸壓角度為30°。按照切頂卸壓角度的增加,巷旁充填體內(nèi)部的垂直應(yīng)力峰值依次為13、11、10、8、9、11 MPa,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于在切頂卸壓角度30°以下時,隨著切頂卸壓角度的增大,采空區(qū)充實效果最佳,而在切頂卸壓角度30°以上時,由于切頂角度較大,使得懸頂較長,覆巖壓力增大,巷旁充填體的應(yīng)力也有所增大。從圖2(b) 可以看出,當(dāng)切頂卸壓角度小于30°時,隨著切頂卸壓角度的增大,充填體變形量逐步減小,巷道的底鼓量及頂板下沉量也相對減小;當(dāng)切頂角度大于30°時,由于充填體內(nèi)部應(yīng)力較大的原因,使得巷道圍巖變形量有所增大;當(dāng)切頂角度為30°時,頂板下沉量、底板底鼓量、充填體變形量、實體煤幫變形量均為最小值,分別為202、272、254、228 mm??梢钥闯觯?dāng)切頂卸壓角度 為30°時,切頂卸壓效果最佳[5]。

      圖2 不同切頂角度下充填體應(yīng)力應(yīng)變情況Fig.2 Stress and strain of filling body under different cutting angle

      合理的切頂卸壓高度能夠提升巷道穩(wěn)定性,因此此次選定切頂卸壓高度分別為6、8、10 和12 m進行研究,對比不同切頂卸壓高度下圍巖的穩(wěn)定性。巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變隨切頂卸壓高度變化情況如圖3 所示。

      圖3 不同切頂高度下充填體應(yīng)力應(yīng)變圖Fig.3 Stress-strain diagram of filling body under different cutting heights

      從圖3 可以看出,相同切頂卸壓高度下,隨著距充填體距離的增加,充填體垂直應(yīng)力值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,出現(xiàn)這一現(xiàn)象是由于充填體兩側(cè)發(fā)生一定的破壞,使載荷壓力施加于充填體中部,造成中部應(yīng)力值偏大。同時對比不同切頂卸壓高度下充填體垂直應(yīng)力值發(fā)現(xiàn),隨著切頂卸壓高度的增大,充填體垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,在切頂卸壓高度為10 m 時,巷旁充填體峰值的最小值為8 MPa。對比不同切頂高度下圍巖的變形情況,發(fā)現(xiàn)隨著切頂高度增大,巷道圍巖的變形情況呈現(xiàn)出先增大后平穩(wěn)的趨勢,切頂卸壓最佳高度為10 m,此時頂板下沉量、底板底鼓量、充填體變形量、實體煤幫變形量均為最小值,分別為206、276、252、226 mm。

      3 結(jié) 論

      (1) 通過對比切頂前后沿空留巷充填體垂直應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn),經(jīng)過切頂卸壓后充填體垂直應(yīng)力有了較大幅度降低。

      (2) 通過對不同切頂角度下巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況進行分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)切頂角度為30°時,頂板下沉量、底板底鼓量、充填體變形量、實體煤幫變形量均為最小值。

      (3) 通過對不同切頂高度下巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況進行分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)切頂高度為10 m 時,巷道穩(wěn)定性最佳。

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