深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道布置的数值模拟

肖福坤,　卢高明,　申志亮,　张峰瑞,　张　泽

(黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室, 哈尔滨 150022)



深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道布置的数值模拟

肖福坤,卢高明,申志亮,张峰瑞,张泽

(黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室, 哈尔滨 150022)

为减少深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道的变形量和卧底量,降低回采巷道的返修率,以某矿为例,分析采空区下布置回采巷道的矿压显现规律及回采巷道位置参数,并采用FLAC3D快速拉格朗日差分分析法进行数值模拟计算。结果表明:两层煤联合开采的下层位煤层回采巷道,应布置在上层位煤层已经稳定的采空区下;回采巷道与上层位煤体边缘之间的水平距离可通过取其在下层位煤层应力降低区域与下层位煤层小变形区域的取值范围的交集获得。该研究为采空区下回采巷道的位置选择提供了可靠的理论依据。

回采巷道; 矿压; 深部矿井; 倾斜煤层; 数值模拟

深部矿井开采过程中,开采深度超过一定范围时会相继出现一些采动异常现象,特别是受上覆煤层采动影响,回采巷道所处的地质力学环境将变得更加复杂,如采空区下部的煤层大范围进入塑性破坏状态,工作面回采巷道处于低应力状态的松软破碎煤层中,煤体完整性差,顶板裂隙发育,巷道围岩环境恶劣[1-3]。根据现场经验,此类巷道在掘进期间矿压显现剧烈,底臌现象突出,片帮严重,两帮变形量大,支护十分困难。因此,回采巷道开掘后,为实现工作面回采,有时不得不另外开掘巷道。随着开采深度的增加和煤层倾角的变化,这种现象越来越明显,仅改变支护方式已无法解决回采巷道的大变形问题[4-7]。

在采空区下适当位置布置回采巷道,可以大幅减少回采巷道的变形量和卧底量,降低其返修率。深部开采地压较大的回采巷道,需根据实际煤岩层的分布情况布置,以防止巷道大变形。李荣坤[8]基于德国 W.Hack 和G.Gillitzer的压力拱理论,在垞城矿采空区下布置回采巷道,并分析其相应的矿压显现规律,结果证明了在采空区下布置回采巷道是减少深部矿井回采巷道变形量的有效途径。压力拱假说对回采工作面前后的支承压力及回采工作空间处于减压范围作出了解释,而对于此拱特性,岩层变形、移动和破坏的发展过程以及支架与围岩的相互作用,并未作分析[3]。为此,笔者在压力拱假说的基础上,采用FLAC3D有限差分法[9]对煤岩层地质构造进行建模,模拟某矿在采空区下不同位置布置回采巷道时煤岩体的应力、应变状态,分析回采巷道布置位置的影响,为在采空区下布置回采巷道提供了可靠的理论依据,同时解决了现场实测耗力、耗时的问题。

1　受采动影响的回采巷道矿压显现规律

研究区为两层煤联合开采的采区,煤层属于“三软”的倾斜煤层,平均埋藏深度为900 m左右,倾角约为30°。根据煤和岩层性质、巷道维护情况、服务年限、设备条件等因素,采区上山布置在下层位的煤层之中,沿煤层布置。如此布置,巷道的掘进速度快、费用低,联络巷道工程量小,并可补充探明煤层情况。对于区段而言,当煤层倾角大于15°～20°时,常采用石门联系,而对于倾角较小、层间距离较大的煤层,常用斜巷联系,以便减小掘进工程量[10]。

回采巷道是形成采煤工作面及为其服务的巷道,在两层煤的联合开采中,下层位煤层的回采巷道不仅受该层位煤层的开采影响,还要受到上层位煤层的采动影响,围岩变形和受力状况将发生很大变化。根据上层位煤层回采空间状况、与下层位煤层回采巷道的相对位置及开采时间关系,下层位煤层回采巷道的位置可以归纳为已稳定的采空区下部、尚未开采的工作面下部和保护煤柱下部三种情况。

由于下层位煤层回采巷道受到上层位煤层的采动影响,下层位煤层回采巷道从开掘至报废,将引起围岩附近的应力反复重新分布[3],围岩的变形速度也随之变化。当下层位煤层回采巷道布置在不同位置时,围岩应力和变形情况不同,如下所示:

(1)当回采巷道布置在已稳定的采空区下部时,围岩首先经历在应力降低区内的回采巷道掘进影响阶段,然后进入掘进影响稳定阶段,期间其变形趋于稳定,变形量不大。

(2)当回采巷道布置在尚未开采的工作面下部时,围岩不仅要经历掘进期间的明显变形,还要承受上层位煤层工作面跨越开采时引起的围岩强烈变形。

(3)当回采巷道布置在保护煤柱下部时,围岩要经历掘进期间明显变形,然后趋于稳定,如果保护煤柱宽度不足,将受上层位煤层工作面回采的影响发生显著变形,然后又趋于稳定。

底板巷道矿压显现规律表明,底板中除铅直应力外,水平应力、剪应力也是影响巷道矿压显现的重要因素。根据数值计算、相似模拟和现场实测结果等[3],在煤体与采空区交界地区,采动引起的底板岩层应力分为原岩应力区、应力集中区、卸压区、应力恢复区、拉伸破裂区、剪切滑移区,如图1所示。卸压区中剪切滑移区和拉伸破裂区以下区域是布置底板巷道的理想区域。

图1　底板岩层应力分布区域Fig. 1　Floor strata stress distribution area

因此,根据现场实际情况,在符合一定条件的情况下,将下层位煤层的回采巷道安排在已经稳定的采空区下的卸压区中(剪切滑移区和拉伸破裂区以下区域),此时，回采巷道处于上层位煤层回采空间形成的底板应力降低区内,整个巷道在服务期间将不受上层位煤层的采动影响,仅受应力降低区内的回采巷道的掘进影响,然后进入掘进稳定阶段,围岩变形趋于稳定,回采巷道的变形量可有效降低。

2　采空区下回采巷道位置参数

巷道的位置参数不仅明确了巷道所在的位置及其围岩性质状况,还体现了巷道受采动影响的程度。在影响巷道维护的诸因素中,围岩性质是最为重要的因素,因此,在与工作面开采空间距离合理的范围内,巷道应安排在相对稳定的煤岩层中。底板巷道与上层位煤层工作面开采空间不在同一层面内,其位置参数主要包括巷道与上层位煤体边缘之间的水平距离x及巷道与上层位煤层开采工作面之间的垂直距离z,如图2所示。

文中研究的是为下层位煤层回采服务的区段回采巷道,由于上下两煤层间距确定,故巷道与上层位煤层开采工作面之间的垂直距离z也是确定的,可设为常数,此时，只涉及确定水平距离x的问题。应力降低区内的回采巷道位置参数如图2所示。

图2　应力降低区内的回采巷道位置参数Fig. 2　Position parameters of mining roadway instress reduced area

2.1巷道稳定性指数

巷道稳定性指数是指巷道开掘前所处位置的最大主应力与巷道围岩单向抗压强度的比值,它是确定巷道位置参数的主要依据。巷道稳定程度与巷道稳定性指数的关系见表1。

表1　围岩巷道稳定性指数Table 1　Stability index of surrounding rock of roadway

2.2采空区下回采巷道位置参数

根据下层位煤层回采巷道实际围岩强度和巷道需求的稳定程度,确定巷道所在位置的最大主应力允许值范围,计算巷道稳定性指数。巷道与上部煤层之间的垂直距离,即上下两煤层间的垂直距离,通常应不超过50m(此范围已在上层位煤层回采空间形成的应力降低区以外,此时再将回采巷道布置在采空区下已没有意义)。由于上下两煤层间距[3]确定,故回采巷道与上层位煤层开采工作面之间的垂直距离z确定,在已知回采巷道与上部煤层之间垂直距离的情况下,下层位煤层回采巷道与上部煤体边缘之间的合理水平距离x如表2所示。

表2　回采巷道与上层位煤层边缘之间的水平距离Table 2　Horizontal distance between edge of upper coal seam and roadway

3　数值模拟

3.1三维模型

以某矿倾斜煤岩层采空区下布置回采巷道为例,运用FLAC3D软件对在采空区下回采巷道布置问题进行数值模拟研究[11-12]。对于有倾角的煤岩层,采用八个点控制建模,三维模型如图3所示,模型尺寸为200 m×200 m×200 m,共划分成96 000个网格,模型煤岩层倾角约为30°。

图3　三维地质模型Fig. 3　Three-dimensional geological model

由于此次研究对象均为煤层或岩层,故确定数值计算的本构模型为摩尔-库伦本构准则。根据矿井地质勘探提供的地质柱状图确定模型主要地层及岩性参数(表3),并对模型施加重力条件和均布载荷。

3.2结果分析

3.2.1工作面开挖处理

根据开挖计划,首先对上层位煤层工作面进行开挖处理。模型倾向的水平距离为200 m,模拟工作面长度为140 m,沿走向开挖,每次开挖10 m,开挖10次,共开挖100 m。工作面开挖计算平衡后,垂直方向上的应力、变形及塑性变化如图4所示。

由图4可知,倾斜煤岩层系间z方向的应力、应变受煤岩层倾角影响非常明显。由于倾角的存在,煤岩层开挖时容易在有些区域形成明显的拉张区,该拉张区卸压、变形明显。若在拉张区开掘巷道,将在很大程度上增加巷道维护成本,缩短巷道使用寿命。

表3　模型主要地层及岩性参数Table 3　Main stratigraphy and lithology parameters of model

图4　垂直方向上的应力、变形及塑性变化Fig. 4　Vertical direction of stress, deformation and plastic changes

3.2.2回采巷道布置

工作面开挖计算平衡后,即进行采空区下回采巷道开挖工作。根据数值模拟计算结果,得到采空区下布置回采巷道时垂直方向上产生的应力和位移变化情况,如图5所示。

由以上分析可知,回采巷道应布置在采空区的左下方,具体位置可以通过开挖计算平衡后应力云图上下层位煤层所在应力降低区域和位移云图上下层位煤层所在的小变形区域来获得,如图5a所示,应力降低区域内应力值不超过5 MPa,图5b所示,小变形区域内变形尺寸不超过100 mm。

图5　开挖后回采巷道垂直方向上的应力和位移云图Fig. 5　Vertical direction stress nephogram and displacement nephogram after excavation

4　结　论

(1)深部矿井两煤层联合开采时,将下层位煤

层的回采巷道布置在上部煤层的采空区下,可有效防止巷道大变形,降低巷道的返修率,减少巷道卧底量。

(3)文中仅研究了煤岩层倾角约为30°的地质模型,而回采巷道位置参数x与煤岩层倾角α函数关系,尚待进一步研究。

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(编辑荀海鑫)

Numerical simulation of arranging mining roadway under inclined seam goaf in deep mine

XIAOFukun,LUGaoming,SHENZhiliang,ZHANGFengrui,ZHANGZe

(Heilongjiang Ground Pressure & Gas Control in Deep Mining Key Lab, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is devoted to studying the reduction of the amount of roadway deformation, the amount of undercover, and the roadway repair rate. This study, relying on the practical case of a mine, deals with an analysis of the behavior law governing the rock pressure of the mining roadway arranged under the goaf and positional parameters of mining roadway and development of numerical simulation using FLAC3Dfast Lagrangian analysis method. The results show that, coal seam roadway with two layers of coal subjected to combined mining should be arranged under the goaf of the stabilized upper coal seam and the horizontal distance between the roadway and the upper coal seam is made possible by taking the intersection between the stress-reducing area and small deformation area of the lower coal seam. The study may provide a reliable theoretical foundation for arranging mining roadway under goaf.

mining roadway; mine pressure; deep mining; inclined seam; numerical simulation

2013-07-18

教育部科学技术研究重点项目(210064)

肖福坤(1971-),男,辽宁省西丰人,教授,博士,研究方向:矿山压力与控制,E-mail:xiaofukun@sohu.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.06.001

TD315

1671-0118(2013)06-0505-05

A