望田煤业旧采区域内遗留空巷稳定性的数值分析

2014-10-22郭晓彦

山西煤炭 2014年7期

郭晓彦

（山西焦煤集团西山煤电屯兰矿，太原 030200）

1 望田煤业旧采区域概况

山西忻州神达望田煤业有限公司位于保德县城东南6 km处，由保德县望田煤业有限公司、保德县德能煤业有限公司、保德县德源煤炭有限责任公司及新增区整合而成。望田煤业的8号煤属厚煤层。兼并重组前，由于受自身装备水平以及开采技术条件的限制，一直使用反复进行扩帮的巷柱式开采法，井下遗留大量煤柱，使其8号煤层的完整性受到严重破坏，底煤中会形成“空巷-煤柱-空巷”结构，空巷跨度一般在2～8 m；残留空巷的上方顶煤搭接在煤柱上方呈空顶状态。在旧采区域进行残采时，分析空巷的稳定性很重要。

2 不同跨度单一空巷的稳定性分析

2.1 数值模型的建立

采用RFPA软件对旧采区空巷稳定性进行模拟分析，对空巷跨度为2.4 m、6.6 m、8.7 m、10.8 m不同跨度的空巷稳定性，分析不同尺寸的空巷围岩变形和应力分布。模型尺寸66 m×90 m，分为66 000个基本单元，每单元0.3 m×0.3 m，其中模拟底板厚度6 m，模拟时不考虑底板因素的影响，对模型底板进行硬化处理。模拟煤厚6.6 m，上覆岩层高度53.4 m，未模拟的岩层以载荷形式作用于模型上方，模型侧面进行位移约束，底部固定。数值模型，见图1。

图1 数值模型简图

2.2 数值计算结果的分析

1）顶板变形分析：图2为不同跨度空巷的顶板变形破坏情况，随着巷道跨度的增大，其顶板稳定性发生变化。跨度10.8 m时，空巷中部顶煤冒落严重，岩层中出现微小裂隙，顶板破坏较严重。跨度8.7 m时，顶煤局部发生冒落，顶板破坏较小。跨度6.6 m时，上方顶煤出现微小裂隙，顶板完整性保持较好。跨度2.4 m时，顶板完整未发生破坏、变形，稳定性较好。表明空巷跨度越大，越容易发生冒落、失稳，并且多发生在顶板中部。

图2 不同尺寸的空巷顶板变形情况

2）顶煤应力分析：图3为不同跨度空巷顶煤应力曲线，空巷两帮上方顶煤易出现应力集中，且高于其他处顶煤应力，且空巷上方顶煤应力明显偏小。当跨度2.4 m时，顶煤中应力峰值7.57 MPa，集中应力系数K=1.5。跨度10.8 m时，顶煤中应力峰值约9.98 MPa，集中系数K=2。表明顶煤集应力随着空巷跨度的变大而增大。

图3 不同尺寸空巷顶煤应力曲线

3 不同跨度空巷群的稳定性分析

3.1 数值模型的建立

采用RFPA软件对旧采区的空巷群稳定性进行模拟。现以两条空巷相邻为例，空巷跨度取6.6 m、8.1 m，巷间煤柱取6 m，考虑相邻空巷的稳定性，分析不同尺寸的空巷围岩应力及变形情况。模型尺寸为66 m×90 m，分为66 000个基本单元，每单元0.3 m×0.3 m。模拟时不考虑底板因素的影响，对模型底板进行硬化处理。模拟煤厚6.6 m，上覆岩层高度53.4 m，未模拟的岩层以载荷形式作用于模型上方，模型侧面进行位移约束，底部固定。数值模型，见图4。

图4 相邻空巷数值模型示意图

3.2 数值计算结果分析

1）围岩变形情况分析：图5为模拟望田煤业8号煤层旧采区的相邻空巷顶板变形情况。随着空巷跨度的增大，围岩稳定性发生变化。当空巷跨度为6.6 m时，空巷顶板有裂隙和轻微冒落产生，巷间煤柱（亦即空巷两帮）右侧边缘有轻微片帮现象；当空巷跨度为8.7 m时，空巷顶板裂隙发育较为明显，完整性受到较大影响，但总体仍保持较好完整性。其与单一空巷围岩变形对比可知，相同跨度的空巷，空巷数目越多，围岩裂隙发育及变形越明显。

图5 不同尺寸相邻空巷围岩情况

2）顶煤应力分析：图6为模拟望田煤业8号煤层旧采区的相邻空巷上方顶煤应力曲线。空巷两帮上方顶煤中容易形成应力集中。跨度6.6 m时，顶煤应力峰值约10.3 MPa，集中系数K=2.1。跨度8.1 m时，顶煤应力峰值大小约为11 MPa，集中系数K=2.2。应力与空巷跨度成正比关系，空巷跨度越大，集中应力越大，并且巷间煤柱上方顶煤应力一般高于其他处的顶煤的应力。

图6 不同尺寸相邻空巷顶板应力曲线

4 旧采区域不同跨度遗留空巷对比分析

表1和表2分别为不同跨度单一空巷和不同跨度相邻空巷对比汇总。

表1 旧采区不同跨度单一空巷分析

表2 旧采区不同跨度相邻空巷分析

1）望田旧采区遗留空巷宽度一般在2～8 m，通过对旧采区空巷（群）围岩稳定性的模拟可知，井下大部分空巷处于稳定状态，随着空巷跨度的增大，其顶板越容易产生裂隙，发生冒落及变形。

2）空巷两帮上方顶煤中出现应力集中，且均高于两侧实体煤区顶煤应力。单一空巷跨度2.4 m、6.6 m、8.7 m时，顶煤最大集中应力峰值7.57 MPa、8.27 MPa、9.16 MPa，集中应力系数 K 为 1.7、1.95、2.4；相邻空巷跨度6.6m、8.7m时，顶煤最大集中应力分别为10.3MPa、11 MPa。对比分析可知随着空巷跨度的增大，顶煤集中应力也越大；空巷跨度相同时，相邻空巷数目越多，顶煤集中应力越大。