松软破碎煤层综采放顶煤回采巷道布置优化

2013-07-30侯宪明

山西焦煤科技 2013年5期

侯宪明

(大同鹊山高家窑煤业有限责任公司，山西大同 037100)

1 工作面概况

五阳煤矿位于襄垣盆地东南部，属黄土丘陵地带，地形起伏较大，呈西高东低趋势，现采煤层为山西组3#煤层，其强度低(f=0.8 ～1.0)，黏结力差，煤质松软，煤层平均厚度6.4 m，平均埋深400 m，目前开采7603工作面采用综采放顶煤开采法，回采巷道沿煤层底板布置，但由于煤层厚而松软破碎，回采巷道沿底板布置时，顶煤不易管理，存在顶煤随掘随冒的现象，单循环进尺只有0.8 m，日循环进尺8 m，大量时间花费在设备交替上，效率特别低。因此，现改用沿顶板掘进。

2 数值模型建立

根据五阳煤矿3#煤层7603工作面实际开采条件，采用美国大型岩土工程计算软件FLAC3D建立弹塑性材料模型，煤岩层物理力学参数见表1。

表1 煤岩层力学参数表

计算模型简化图见图1。

图1 计算模型简化图

由于计算机存储空间的限制并考虑到巷道的对称性，计算中取巷道的一半作为研究对象，网格剖分如图1，在x轴方向取15 m，y轴方向即巷道掘进方向取5 m，z方向取25 m。模拟采深400 m，即垂直应力取10 MPa，水平应力取垂直应力的一半5 MPa。

边界条件:

前后面y方向约束;

左面x方向约束;

底面z方向约束。

载荷条件:

顶面z方向施加10 MPa垂直向下的应力;

右面x负向施加5 MPa的水平应力。

3 回采巷道围岩变形破坏的理论分析

3.1 沿顶掘进

沿顶掘进时距掘进工作面0.5 m时的垂向应力分布图见图2。

图2 距掘进工作面0.5 m时的垂直应力分布图

由图2可以看出，巷道的顶底板出现拉应力，表现为正值，最大为9.7 ×104Pa，即0.097 MPa，最大的压应力14 MPa，在距腰1.2～2.4 m 处，此处为压应力核。巷道的顶底角也不同程度地出现了压应力的集中。

沿顶掘进时水平应力分布图见图3。

图3 距掘进工作面0.5 m时的水平应力分布图

从图3可以看出，水平方向的拉应力出现在巷道的两腰上，最大为0.038 MPa，其次在巷道的顶底角出现了压应力集中现象。

沿顶掘进时距掘进工作面0.5 m垂直于巷道掘进方向的围岩破坏状态图见图4。

图4 距掘进工作面0.5 m时围岩破坏状态图

由图4可以看出，巷道围岩的破坏面积与方式，顶板最大破坏深度为1 m，底板为1.2 m，两腰也为1.2 m。

沿巷道掘进方向围岩的破坏状态图见图5。

图5 沿巷道掘进方向围岩破坏状态图

从图5可以看出，掘进工作面前方的煤体在掘进过程中也发生了破坏，破坏范围基本与两腰相似。

3.2 沿底掘进

沿底掘进时垂向与水平应力分布状态图分别见图6，图 7。

图6 距掘进工作面0.5 m时的垂向应力分布图

图7 距掘进工作面0.5 m时的水平应力分布图

与沿顶掘进相比，其应力分布的规律几乎是一样的，但数值上有所变化，如两腰最大应力集中值，沿顶掘进时为12～13.9 MPa，沿底掘进时为 14～14.2 PMa。由此可以得出，沿顶掘进时两腰的压应力集中程度要比沿底掘进时小，但其差值并不是太大。可是由于围岩性质发生了变化，其承载能力也发生了变化，导致其破坏范围也发生了变化。

沿底掘进时围岩的破坏状态图分别见图8，图9。

图8 距掘进工作面0.5 m时围岩破坏状态图

从图8可以看出，在沿掘进工作面0.5 m时，其顶板的最大破坏深度为1.2 m，在沿掘进工作面2～3 m时其最大破坏深度为1.6 m。两腰的最大破坏深度为1.2 m。从图9可以看出，与沿顶掘进相比，其底板的破坏范围比较小，约为0.4 m，另外掘进工作面前方的破坏范围要比沿顶掘进时大。

图9 沿巷道掘进方向围岩破坏状态图

3.3 巷道布置与快速掘进优化

通过以上的数值分析可知:

回采巷道沿底掘进，由于煤层较软，存在随掘随冒现象，不仅掘进速度跟不上，而且支护也困难，锚杆的锚固段在松软的煤层中，其锚固力比较低，不能充分发挥锚杆的效应。

回采巷道沿顶掘进，解决了随采随冒的现象，顶板冒落的几率小，所以可以加大循环进尺，空顶距控制到2 m，即每掘进2 m，进行临时支护与永久支护，临时支护用单体液压支柱，一个班进行两个循环，即每班可掘进4 m，一日可掘进10 m，如每月按28个工作日算，月进尺为280 m，而原来日进尺为8 m，月进尺则为224 m，基本上实现了快速掘进。