同忻礦孤島工作面回采巷道支護技術研究

康國峰,劉建偉,徐 昕

(大同煤礦集團有限責任公司 國電同忻煤礦,山西 大同 037001)

隨著我國煤炭采掘技術的不斷進步,對以往較難開采資源的開采成為可能,其中就包括對孤島工作面煤炭資源的回收[1]。對孤島工作面煤炭資源的安全有效回收可以提高煤炭資源利用率,也可以有效提高企業的經濟效益。然而,孤島工作面的礦壓控制一直是難以回避的問題[2-3],對孤島工作面回采巷道的順槽支護問題尤為嚴重[4-6]。為了高效率地實現對孤島工作面的回采,本文對8102孤島工作面回風順槽的合理支護方案進行對比研究,選出合理支護方案,有效指導生產實際。

1 工程概況

同忻礦8102孤島工作面位于一盤區東側,對應地面標高+1 225.1 m～+1 283.6 m,煤層底扳標高為+788 m～+792 m,工作面埋深為437.1 m～491.6 m,平均煤厚12.7 m,北部為8103面采空區,南部為8101面采空區。孤島工作面布置見圖1。

圖1 8102孤島工作面布置示意圖

2 孤島工作面礦壓顯現特征

相比于正常工作面,回采孤島工作面時,由于兩側沒有支撐的工作面,煤巖體隨著采空區的不斷擴大而彎曲下沉速度明顯加快,離層導致的間隙更明顯。并且受工作面采動應力和工作面兩側采空區參與支承應力的疊加,巷道的礦壓顯現劇烈,變形量較大。巷道圍巖變化區域可分為:緩升區、升高區以及急升區。

針對孤島工作面的礦壓顯現特點,相應的圍巖控制技術也與普通巷道不同。通常情況下采用動態支護的手段對孤島巷道進行支護,即隨著圍巖應力的不斷變化,支護參數發生改變,進而使巷道變形得到有效控制。

3 數值模擬研究

基于同忻礦8102孤島工作面的巖層特征,對其頂底板進行了巖石取樣,并在實驗室中進行了相應的巖石力學實驗,得出了頂底板巖層的物理力學參數,如表1所示。利用FLAC3D5.00軟件對8102孤島工作面回風順槽采用不同錨桿支護方案時的情況進行模擬,并對塑性區破壞形態和相關的圍巖變形狀況進行探討。

表1 8102面煤層頂底板煤巖力學參數

3.1 模型建立及開挖步驟

根據地層實際情況建立模型并且進行賦值,模型長×寬×高=400 m×200 m×100 m。模型共劃分1 262 580個單元,1 309 670個節點。模型煤層厚13 m,煤層頂板55 m,底板40 m。將模型的前、后、左、右、下都設定成固定邊界,在其上部施加4.93 MPa的垂直應力,模型示意圖如圖2所示。

2-a 數值模擬邊界條件

2-b FLAC3D生成模型

模型建好后首先開挖8101工作面和8102工作面運輸順槽以及回風順槽并支護,等順槽穩定后(軟件運行收斂),再先后回采8103工作面和8102工作面,為了計算結果和實際情況相符,對開挖巷道周圍網格進行加密,確定最佳巷道支護參數。

3.2 模擬方案

8102面回風順槽為矩形斷面,高2.9 m,寬3.7 m。依據同忻礦的實際地質情況,回風順槽共提出了六種支護方案,通過工程類比和數值模擬法對這六種方案進行對比,最終確定出較為可靠的兩種方案。這兩種方案的具體情況如表2所示。

表2 數值模擬方案表

3.3 8102回風順槽數值模擬結果分析

3.3.1相鄰工作面采動影響分析

1)方案一。建模期間,布置一測點在順槽,圖3顯示當8102工作面回風順槽采用方案一支護時8103工作面開采之后,8102工作面回風順槽測點在不同位置時巷道塑性區的分布。圖3-a顯示未受相鄰工作面采動影響時8102工作面回風順槽圍巖礦壓顯現較小,兩幫破壞深度0.5 m左右,小于錨桿錨固長度,可見錨桿起到了錨固作用,巷道底板破壞深度在0.7 m左右,巷道較為穩定。圖3-b、3-c顯示測點位于8103工作面后方0 m、30 m時8102工作面回風順槽圍巖破壞程度與圖3-a基本相同,但在工作面后30 m時,回風順槽右幫破壞深度略有增加,巷道較為穩定。由圖3-d、3-e、3-f可以看出,在距離8103工作面后方大于70 m時,回風順槽塑性破壞范圍顯著增加,當位于8103工作面后方170 m處時,塑性區范圍超出錨桿有效錨固范圍,巷道圍巖失穩破壞。

圖3 測點位于相鄰工作面后方不同位置處巷道塑性區分布圖

2)方案二。圖4顯示當8102工作面回風順槽采用方案二支護時,相鄰8103工作面開采后8102工作面回風順槽測點不同位置時巷道塑性區分布。圖4-a顯示未受相鄰工作面采動影響時,8102工作面回風順槽圍巖較為穩定,兩幫破壞深度0.5 m左右,小于錨桿錨固長度,可見錨桿起到了錨固作用,巷道底板破壞深度在0.35 m左右,巷道較為穩定。由圖4-b、4-c、4-d、4-e、4-f可以看出,隨著相鄰8103工作面不斷的向前推進,工作面后方8102孤島工作面回風順槽塑性破壞范圍逐漸增大,但都在錨桿(索)的有效錨固范圍內,塑性區破壞深度相對較小,巷道圍巖穩定。

圖4 8102工作面回風順槽測點不同位置巷道塑性區分布

3.3.2兩方案模擬結果對比分析

圖5為兩方案中頂底板移近量隨測點至相鄰工作面煤壁距離變化曲線圖,圖6為各方案中兩幫移近量隨測點至相鄰工作面煤壁距離變化曲線圖。

圖5 各方案中頂底板移近量隨測點至相鄰工作面煤壁距離變化曲線

圖6 各方案中兩幫移近量隨測點至相鄰工作面煤壁距離變化曲線

對比圖5和圖6可知:從兩幫的位移量方面來看,方案二能有效控制兩幫變形,兩幫位移量減小了48%;從頂底板移近量方面來看,方案二由于增強了支護體的強度,使得巷道底臌量相較于方案一來說,有了明顯減小。

由圖5和圖6可以分析得出:當8102工作面回風順槽采用方案二支護時,8102回風順槽在8103工作面前方60 m至后方40 m范圍內,回風順槽受明顯采動影響。

圖7為兩種方案支護條件下8102工作面回風順槽圍巖變形量柱狀對比圖。

圖7 各支護方案下8102工作面回風順槽圍巖變形量柱狀對比圖

由圖7可知,方案二能起到較好的支護效果,可以控制塑性區的范圍至合理區域,支護強度較大,產生了明顯的支護效果,故同忻礦8102工作面回風順槽應將方案二確定為初始支護方案。

3.3.3工作面回采時8102工作面回風順槽數值模擬分析

圖8為當8102工作面回風順槽采用方案二支護時,塑性區在工作面前方0 m、20 m、50 m的分布圖。

圖8 測點位于本工作面前方不同位置處巷道塑性區分布圖

圖8-a所示為8202工作面回采時,8102工作面回風順槽前方50 m處兩幫局部破壞深度為1 m左右,底板破壞深度為0.7 m左右,巷道較為穩定。圖8-b顯示8102工作面前方20 m處回風順槽兩幫破壞深度為1 m左右,底板破壞深度為1 m左右,巷道開始受8102工作面超前壓力的影響,巷道較為穩定。圖8-c表示的是當測點位于8102工作面處時,回風順槽右幫破壞范圍較大,破壞深度達到1.5 m時,仍然處于錨桿有效錨固區內,巷道圍巖處于較為穩定的狀態。

4 結論

綜合以上數值模擬分析可知,采用方案二對8102孤島工作面回風順槽進行支護時,在本工作面及相鄰工作面采動影響下,順槽圍巖塑性區破壞范圍小,頂底板及兩幫移近量得到較好的控制,可以滿足8102孤島工作面安全回采的要求,故可以作為該回風順槽的合理支護方案。但在實際應用中,要根據巷道圍巖的實際情況對數值模擬得出的支護方案加以驗證跟修正,實時觀察工作面回采過程中的礦壓變化規律,輔助模擬結果得出適合試驗工作面地質條件的最優支護方案。