预防采空区气体冲击灾害的密闭墙研究＊

张 杰 李 宇

(1.西安科技大学能源学院,陕西省西安市,710054;2.中国煤炭进出口公司,北京市东城区,100011)

预防采空区气体冲击灾害的密闭墙研究＊

张 杰1李 宇2

(1.西安科技大学能源学院,陕西省西安市,710054;2.中国煤炭进出口公司,北京市东城区,100011)

建立了采空区永久密闭结构的计算模型,分析了密闭墙在气体的冲击作用下的受力状态,得到了其结构参数与受力状态的关系。利用有限差分软件FL A C3D进一步对永久密闭的强度进行了演算,研究成果在现场实际应用中取得了很好的效果。

采空区 密闭墙 数值模拟 冲击灾害预防

1 工程背景

顶板大面积一次性垮落使采空区内空气压缩,气体由采空区或巷道涌出造成冲击载荷,对巷道密闭墙产生冲击压力。为预防采空区气体冲击灾害的发生,对长壁间隔式采煤工作面采空区的密闭墙进行了研究。

长壁“间隔”开采工艺是工作面每推进一定距离留设煤柱,搬家到新的开切眼再继续推进,因工作面不是连续推进,所以起名为“间隔”式开采。在两永久稳定的隔离煤柱之间留一个临时煤柱,由于煤层开采高度小,可利用临时煤柱逐渐破坏,限制顶板的一次性破坏面积,减小垮落灾害。尽管以隔离和临时煤柱相间布置方案实现了两隔离煤柱间100 m距离内顶板的垮落,但垮落面积仍达2万m2,垮落会形成准飓风。这种飓风虽不会掀翻煤车,造成矿井风向倒流,威胁人员生命安全,但会扬起煤尘,引起心理恐慌,影响正常的生产秩序,甚至会造成一定的灾变。因此,在适当位置设置密闭墙对采空区进行密闭是非常必要的。

2 密闭结构及参数确定

2.1 密闭墙的结构及受力分析

根据煤柱压缩变形特点,为了实现控制顶板的破坏形式,可将长壁间隔式推进工作面留设煤柱分为两种,一种称为临时煤柱,另一种称为隔离煤柱。将工作面称作第1开采带、第2开采带…。临时煤柱要保证顶板在第1、2开采带开采时老顶不发生初次破断,而发生在第3开采带之后的某开采带的开采过程中。隔离煤柱承载能力始终大于顶板所施加的集中载荷,其作用是保证1、2开采带顶板垮落只限定在本开采带内。采用隔离和临时煤柱相间布置方案,密闭墙应设置在隔离煤柱处,每采过2个开采带,在回风和运输巷中留设隔离煤柱的地方设置密闭墙,同一巷中相邻密闭墙间距约100 m,设置密闭墙防止隔离煤柱间采空区(2个开采带内)顶板垮落形成冲击灾害。密闭墙和煤柱留设示意图如图1所示。

图1 密闭及煤柱留设示意图

密闭墙设计既要考虑有足够的抵御准飓风的强度,又应考虑成本和施工方便,将密闭结构设计为拱形,两端面为水泥砂浆砌筑的砖墙,墙体两端固定于巷道两侧煤壁内,两层砖墙内充填黄土。密闭墙拱高300 mm,水泥砂浆砌筑砖墙厚300 mm,固定于巷道两侧煤壁内600 mm。密闭长为l,高为h,厚为b,其结构及三维数值计算模型见图2所示。其力学模型如图3所示,图中l为巷道宽,h为巷道高,b为密闭结构的总体厚度,p为密闭结构所受冲击压力。

图2 密闭结构及三维数值计算模型

其受力分析可以将密闭结构当作平行六面体,把沿密闭结构高度方向上单位长度的密闭段认为两端固定的梁,正应力在密闭结构与巷道煤壁相联接处,且在密闭结构的截面两端取得最大值,弯曲切应力也在密闭结构与巷道煤壁相联接处且密闭结构的截面中间取得最大值。设密闭结构的许用正应力,可建立密闭结构的厚度、许用正应力或切应力、最大弯矩或最大剪力之间的关系。

图3 密闭结构的力学模型

2.2 密闭墙参数的确定

通过计算分析采空区大面积垮落时压缩气体施加于巷道密闭上的压力为3.0 MPa,巷道宽3 m,则单位长度密闭段所受均布荷载为3.0×3=9000 kN/m。

设密闭墙两端约束对梁的剪力为Q1、Q2,由梁的受力平衡可以计算得到Q1=18000 kN,Q2=-18000 kN,则梁中x处的剪力Qx=18000-9000x(kN)。

两端约束对梁的弯矩M1=M2=-12000 kN·m,梁中x处的弯矩Mx=18000x-9000x2-12000(kN·m)。

由正应力强度校核条件解得b>1.6 m,由切应力强度校核条件解得b>3.2 m,为了保证密闭结构的安全以及使密闭结构具有较大的安全系数,在本密闭结构的设计中适当增大黄粘土的厚度,选取填充3.5 m厚的黄粘土。

3 密闭结构强度的数值分析验算

3.1 数值模型

根据密闭墙设计建立三维数值计算模型,应用FLAC3D进行模拟,在建模过程中,尽量减小重要区域网格尺寸差异,以免影响计算的准确程度。三维计算模型应用Generate命令生成,尺寸为宽×厚×高=4 m×4 m×3 m,巷道煤柱方向沿y轴正方向,采用模尔-库化准则(Mohr-Coulomb plasticity model)本构模型和大应变变形模型,用brick单元模拟墙体,整个模型由32256个单元组成,包括36125个节点,三维数值计算模型如图2所示。根据压缩气体施加于巷道密闭上的压力设计了三种工况,并进行了对比分析。其中工况1压缩气体施加于巷道密闭上的压力为2.7 MPa,工况2压缩气体施加于巷道密闭上的压力为3.0 MPa,工况3压缩气体施加于巷道密闭上的压力为3.3 MPa。

3.2 数值计算结果分析

(1)密闭墙的受力和变形分析。由不同工况正应力对比分析可得:在冲击载荷的作用下,密闭墙体应力集中区处于巷道两帮煤柱附近,沿垂直方向贯穿整个墙体,分布情况如图4所示。工况1墙体上所承受的最大应力值为4.6 MPa,工况2墙体上所承受的最大应力为7.5 MPa左右,工况3墙体上所承受的最大应力值为14.9 MPa,工况2的最大应力小于许用正应力9.3 MPa。由墙体正应力特征图(见图6)也表明,工况3墙体部分区域出现较大的应力值。

不同工况下剪应力的对比表明,在冲击载荷的作用下,密闭墙体上剪应力分布与正应力特征相似,分布情况如图5所示。工况1墙体上所承受的最大剪切应力为1.95 MPa左右,工况2为2.26 MPa,工况3为4.53 MPa。可以看出,工况2的最大剪切应力小于许用切应力2.8 MPa。同时,也可以得出,随着所受载荷的增加,墙体所受的剪应力增加幅度也在不断的增加,其剪应力特征分布如图7所示。

不同工况下墙体的位移特征如图8所示,其最大位移区处于巷道中心位置,工况1墙体产生的最大位移值为1.87 cm左右,工况2墙体产生的最大位移值为2.17 cm,工况3墙体产生的最大位移值为2.84 cm。可以看出随着所受载荷的增加,墙体产生的最大位移增加幅度也在不断增加。

图6 墙体正应力特征

(2)密闭结构破坏分析。与应力特征相对应,墙体最早出现塑性破坏的区域也在高应力区。各工况均有小范围的剪切破坏,工况1和工况2的墙体中部有较小范围的拉伸破坏,而工况3处于两帮附近的大部分墙体均发生剪切破坏,在墙体中部有一拉伸破坏带将两帮剪切破坏区域连通。通过前面对不同工况下密闭墙的受力、变形和破坏分析表明,密闭墙的结构设计是合理的。现场实际密闭墙的密闭效果也表明,密闭墙在采空区有限的大面积垮落(在两隔离煤柱间)时,密闭墙能保持完好,目前还没发生过密闭破坏现象。

4 结语

长壁“间隔”开采以隔离和临时煤柱相间布置可控制两隔离煤柱间的顶板垮落,但其垮落面积之大也会形成准飓风,因此,应在适当位置设置密闭墙对采空区进行密闭,避免造成灾变。在分析永久密闭墙的材料结构及冲击作用下受力状态的基础上,确定了密闭墙的结构参数和力学参数。通过对不同工况下密闭墙的受力、变形和破坏分析表明,密闭墙的结构设计合理。在采空区有限的大面积垮落(两隔离煤柱间)时,密闭墙能保持完好,理论分析与现场实际应用基本一致。

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On sealing wall to prevent air bursting disaster in gob areas

Zhang Jie1,Li Yu2

(1.School of Energy Engineering,Xi’an University of Science&Technology,Xi’an,Shaanxi province 710054,China;2.China National Coal Imports and Exports Corporation,Beijing 100011,China)

With a calculation model set up for permanent sealing wall structure used in gob area,the stress state of the sealing wall structure under the condition of air bursting stress is analyzed and the relations between the structure parameters and the state of stress is obtained.The strength of the permanent dealing structure is further calculated by finite difference software and the research results achieve success in actual field application.

gob area,sealing wall,numerical simulation,bursting air disaster prevention

TD 726

A

陕西省教育厅专项科研计划项目(09J K599),西安科技大学博士启动金项目(200801)

张杰(1978-),男,四川达县人,博士,主要从事矿山压力及岩层控制的研究和教学工作。

(责任编辑 张毅玲)