厚煤層窄條帶分帶充填開采條帶寬度研究

鄭帥亮,胡 磊,冉德旺

(1.山西高河能源有限公司,山西 長治 046000;2.中國礦業大學 礦業工程學院,江蘇 徐州 221000;3.山西中礦充填科技有限公司,山西 長治 046000)

潞安化工集團目前存在嚴重的“三下”壓煤(建筑物下、鐵路下和水體下壓覆的煤層)問題,初步統計,僅總部所在的潞安礦區12個煤礦,“三下”壓煤量達33.13×108t,占工業儲量的37.7%.“三下”壓煤已經成為制約潞安化工集團煤礦可持續發展的重大技術難題,同時,為保護地面建筑物留下了不少邊角煤柱,邊角煤柱單塊面積不大,難以布置長壁充填面解放開采,但累計資源量大,嚴重制約了礦井煤炭回采率[1-3]。

為解決潞安化工集團“三下”邊角煤問題,根據邊角煤位置及留存情況,采用窄條帶分帶充填開采對邊角煤進行回采,該技術于回采區域構建獨立通風系統,將煤體劃分為一系列狹窄帶狀區域,按照一定順序對區域進行逐步開采和充填。在回收邊角煤柱的同時,可有效控制地表變形[4-5]。

目前針對條帶充填開采問題,大多數研究均集中在寬條帶[6-9]、條帶開采順序[10-11]上,且多為條帶一次采全高。針對潞安集團厚煤層分層條帶開采的研究還較為空白。

本論文針對厚煤層窄條帶分層充填開采條帶寬度問題,通過理論分析、數值模擬以及現場實測對條帶采寬進行系統研究,為潞安集團及相關工程提供理論及實踐基礎。

1 工程概況

高河煤礦E1309條帶膏體充填工作面底板標高為+445～+468 m,煤厚平均6.6 m,埋深470 m,傾角1.5°.充填面長邊332 m,短邊469 m,寬63.6 m.采用分層開采,上分層高度3.5 m,下分層高度3.1 m,區域內未發現陷落柱及斷層等構造,煤層賦存條件較好。工作面位置及巷道布置如圖1所示。

圖1 巷道布置圖

2 基于固支梁結構模型的支巷寬度研究

根據彈性地基梁理論[12-13]建立如圖2所示的力學模型推導工作面頂板撓曲微分方程,研究窄條帶充填開采礦山壓力活動規律。

圖2 條帶膏體充填支承柱體穩定性力學模型

在頂板未垮落的情況下,圖2所建立的力學模型可看作彈性基礎上的梁的彎曲。根據材料力學中彈性地基梁理論,在模型中地基任意一點的下沉量與這一點的單位面積上的壓力p成正比,因此充填體的兩側的壓力為:

p=kY

(2)

式中:k為地基系數;Y為兩側壓縮量。

梁的撓度微分方程為:

(3)

式中:I為慣性矩;E為彈性模量;y為撓度;qz為外載。

上巖梁受上覆巖層對充填體施加的均布載荷q及充填體的反作用力pc共同作用,因此本模型中上巖梁的外載荷qz為:

qz=q-pc=q-ky

(4)

則采空條帶上方梁的外載可表示為:

qz=q

(5)

將式(3)分別帶入式(4)、(5)可得到工作面頂板巖梁撓曲微分方程式:

(6)

(7)

(8)

頂板巖梁的撓度y(x)、巖梁截面轉角θ(x)、彎矩M(x)、剪力Q(x)之間的關系式為:

(9)

(10)

(11)

由采空條帶上方頂板與兩側充填體連續條件可得:

(12)

(13)

對方程(8)～(13)進行聯立求解同時帶入高河煤礦的地質參數條件,可以計算出積分常數d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d11、d12的具體數值。

根據公式(8)可得,影響條帶膏體充填頂板的下沉量的主要因素有頂板的彈性模量E,膏體充填開采的條帶寬的b,開采充填后頂板已經下沉的位移Z,膏體的彈性地基系數k.采用控制變量法對不同影響因素對頂板下沉量的影響進行研究分析。在對不同條帶寬度進行研究時,控制其他變量,強度為4.5 MPa的充填體,充填體的欠接頂量120 mm.計算求出頂板的下沉值,如表1所示。

表1 窄條帶寬度對頂板下沉的影響

如圖3所示,頂板最大下沉值隨條帶寬度增加而加大,當條帶寬度大于6 m時,曲線出現明顯拐點,頂板下沉量變化率增大。則最優條帶寬度應考慮4～6 m.

圖3 頂板下沉量與條帶寬度關系圖

3 基于數值模擬分析的支巷寬度研究

本節基于上述理論分析結論,分別針對支巷寬度為4 m、5 m、6 m時圍巖塑性區、位移進行分析,進一步對最優支巷寬度進行研究。

E1309條帶開采工作面主采3號煤,煤層平均厚度6.6 m,埋藏深度平均470 m,老頂為粉砂巖-細粒砂巖-粉砂巖,厚度8.15 m;直接頂為細粒砂巖-粉砂巖,厚度7.51 m;偽頂為泥巖,厚度0.34 m;直接底為泥巖,厚度0.45 m;老底為粉砂巖-泥巖-粉砂巖-砂質泥巖-粉砂巖,厚度為14.95 m.條帶工作面沿煤層頂板回采,矩形斷面,先開采頂板向下3.5 m厚的煤層,回采完成后,對條帶進行臥底,臥底深度3.1 m,臥底完成后,對條帶開采區域進行膏體充填。

根據上述內容,建立數值計算模型。模型共建立15層巖層,底板6層,頂板8層。模型長85 m,寬120 m,高64 m,工作面布置在模型中央,對位于模型中部工作面、煤層及其直接頂底板進行網格加密處理。模型上覆巖層470 m,故垂直方向施加應力模擬上覆巖層的自重應力σzz=11.75 MPa.模型沿走向和傾向方向施加水平應力,側壓系數取1,巖層屬性采用Mohr-Coulomb本構模型。條帶工作面支護采用cable單元模擬錨桿、錨索。計算模型如圖4～圖6所示。

圖4 數值模擬模型

圖5 開采后塑性區發育

圖6 下分層開采后塑性區發育

如圖5所示,上分層開挖后,隨著支巷寬度增大,條帶工作面圍巖塑性區范圍明顯增大。條帶工作面圍巖主要受到剪切及拉伸破壞,頂底板剪切破壞隨圍巖穩定逐漸停止,但條帶工作面兩幫仍在發生蠕變剪切破壞。對比3種寬度支巷,4 m及6 m支巷均在圍巖穩定后繼續出現較大蠕變破壞,而5 m支巷蠕變破壞卻較少地分布于圍巖淺部。

下分層開采后,工作面圍巖塑性區深度隨支巷寬度增大而增大。相比于上分層開采,幫部塑性區深度增大了71%～106%,頂板塑性區深度基本不變,底板塑性區深度有所減小。隨著支巷寬度的增大,條帶工作面頂底板出現明顯的拉伸破壞區。

塑性區范圍越小,越有利于支巷圍巖穩定。支巷寬度為5 m時,條帶工作面圍巖塑性破壞較小,對支巷圍巖穩定較為有利。

如圖7～圖9所示,支巷上分層回采后,兩幫水平位移基本沿條帶工作面中心線對稱分布,但隨支巷寬度增大,兩幫水平位移也產生較大變化。當支巷寬度為5 m時,條帶工作面兩幫移進量最小,為104 mm,相比于支巷寬度為4 m和6 m時的120 mm和140 mm,穩定性更好。下分層開采后,寬度為4 m支巷兩幫移進量約為200 mm;當支巷寬度為5 m時,條帶工作面兩幫移進量減小到184 mm;當支巷寬度為6 m時,條帶工作面兩幫移進量增大到228 mm.

圖7 支巷寬度4 m開挖后兩幫位移圖

圖8 支巷寬度5 m開挖后兩幫位移圖

圖9 支巷寬度6 m開挖后兩幫位移圖

如圖10～12所示,上分層開采后,隨著支巷寬度增大,條帶工作面頂底板移進量逐漸增大。支巷寬度為4 m時,條帶工作面頂板下沉量約為24 mm,底板鼓起量約為60 mm;支巷寬度為5 m時,工作面頂板下沉量增加到32 mm,增加了33%,底板鼓起量增加至72 mm,增加了20%;當支巷寬度為6 m時,工作面頂板下沉量為42 mm,相比于4 m時增大了72%,比5 m支巷增大了31%,底板鼓起量為82 mm,相比于4 m時增大了36%.

圖10 支巷寬度4 m開挖后頂底板位移圖

圖11 支巷寬度5 m開挖后頂底板位移圖

圖12 支巷寬度6 m開挖后頂底板位移圖

下分層開采后,支巷寬度為4 m時,條帶工作面頂板下沉量約為30 mm,底板鼓起量約為24 mm;支巷寬度為5 m時,條帶工作面頂板下沉量增加到40 mm,增加了33%,底板鼓起量增加至25.4 mm,增加較小;當支巷寬度為6 m時,條帶工作面頂板下沉量為56 mm,相比于4 m時增大了86%,比5 m支巷增大了40%,底板鼓起量為25 mm.

綜上,支巷寬度為4 m時,條帶工作面頂板下沉量和底板鼓起量均比較小;支巷寬度為5 m時,條帶工作面頂板下沉量和底板鼓起量比支巷寬度為4 m時都有所增加,但增加幅度相對較小;支巷寬度為6 m時,條帶工作面頂板下沉量和底板鼓起量增大幅度明顯。

綜合頂底板及兩幫位移分布特征,在上分層和下分層開采過程中,隨著支巷寬度的增大,條帶工作面的整體位移變化都會逐漸增大。其中,支巷寬度為5 m時,條帶工作面兩幫移進量最小,條帶工作面頂板下沉量相對較小,底板鼓起量相對較小,穩定性最好,因此支巷寬度5 m支巷更優。

4 工程實踐

上文通過理論分析及數值模擬對比分析了不同支巷寬度上、下分層開采后條帶工作面圍巖礦壓活動特征。根據分析結論,基于高河礦地質條件,當巷高為6.6 m時,支巷寬度選擇5 m更優。綜上,高河礦E1309充填開采工作面支巷寬度確定為5 m,現場實踐并對其進行礦壓監測。采用12CM30型掘錨一體機分兩步一次采全高,掘寬可達5.3 m.

如圖13所示,為條帶工作面上分層回采期間工作面表面位移特征,根據總體位移曲線,工作面在回采70 d后圍巖逐漸趨于穩定。工作面兩幫均為較為軟弱的煤體,兩幫移近量明顯高于頂底板移近量,回采85天后,工作面頂底板移近量最大為82 mm且由于工作面底板為較為軟弱的煤體,頂底板移近量主要為底板鼓起,兩幫移近量最大為128 mm.

圖13 上分層開采條帶工作面表面位移

如圖14所示,上分層開采結束后,對工作面下分層進行開采,下分層開采后條帶工作面高度達到6.6 m,對工作面重新布置表面位移測點,監測條帶工作面下分層回采期間條帶工作面表面位移特征。根據變形曲線,回采通過測點10 d內,工作面表面位移快速增大,10 d后變形逐漸減緩,總體工作面兩幫移近量仍大于工作面頂底板移近量。25 d后,工作面兩幫移近量較之上分層開采增大了83 mm,頂底板移近量較之上分層開采增大了51 mm.

圖14 下分層開采條帶工作面表面位移

根據礦壓監測數據,條帶工作面圍巖穩定,未出現較大變形,滿足生產要求。條帶工作面回采后,由于兩幫為較為軟弱的煤體,兩幫位移量明顯大于頂底板位移量。下分層回采后,工作面頂底板及兩幫位移量均有所增大,條帶工作面兩幫移近量增大相比于頂底板更明顯,條帶工作面回采時,應注意條帶工作面幫部圍巖變形情況。

5 結 語

本文以高河礦E1309工作面為工程背景,通過理論分析及數值模擬對分帶充填開采條帶寬度進行了研究,具體研究內容如下:

1) 基于彈性地基梁理論建立了窄條帶膏體充填開采支承柱體穩定性力學模型,推導得出頂板巖梁撓曲微分方程并初步掌握窄條帶膏體充填開采覆巖移動破壞規律,通過理論計算得出條帶寬度在4～6 m時頂板下沉量最小。

2) 通過數值模擬分別研究了條帶寬度為4 m、5 m、6 m時條帶圍巖的塑性區、位移分布,對各項結果進行對比分析,綜合考慮確定最優條帶寬度為5 m.

3) 通過工程實踐驗證了本論文研究內容的正確性及可行性,為潞安礦區“三下”壓煤邊角煤柱回采提供合理思路及工程經驗,為其他類似工程條件下窄條帶分帶充填開采條帶寬度的確定提供了計算分析方法及參考依據。