厚煤层窄条带分带充填开采条带宽度研究

郑帅亮,胡 磊,冉德旺

(1.山西高河能源有限公司,山西 长治 046000;2.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221000;3.山西中矿充填科技有限公司,山西 长治 046000)

潞安化工集团目前存在严重的“三下”压煤(建筑物下、铁路下和水体下压覆的煤层)问题,初步统计,仅总部所在的潞安矿区12个煤矿,“三下”压煤量达33.13×108t,占工业储量的37.7%.“三下”压煤已经成为制约潞安化工集团煤矿可持续发展的重大技术难题,同时,为保护地面建筑物留下了不少边角煤柱,边角煤柱单块面积不大,难以布置长壁充填面解放开采,但累计资源量大,严重制约了矿井煤炭回采率[1-3]。

为解决潞安化工集团“三下”边角煤问题,根据边角煤位置及留存情况,采用窄条带分带充填开采对边角煤进行回采,该技术于回采区域构建独立通风系统,将煤体划分为一系列狭窄带状区域,按照一定顺序对区域进行逐步开采和充填。在回收边角煤柱的同时,可有效控制地表变形[4-5]。

目前针对条带充填开采问题,大多数研究均集中在宽条带[6-9]、条带开采顺序[10-11]上,且多为条带一次采全高。针对潞安集团厚煤层分层条带开采的研究还较为空白。

本论文针对厚煤层窄条带分层充填开采条带宽度问题,通过理论分析、数值模拟以及现场实测对条带采宽进行系统研究,为潞安集团及相关工程提供理论及实践基础。

1 工程概况

高河煤矿E1309条带膏体充填工作面底板标高为+445～+468 m,煤厚平均6.6 m,埋深470 m,倾角1.5°.充填面长边332 m,短边469 m,宽63.6 m.采用分层开采,上分层高度3.5 m,下分层高度3.1 m,区域内未发现陷落柱及断层等构造,煤层赋存条件较好。工作面位置及巷道布置如图1所示。

图1 巷道布置图

2 基于固支梁结构模型的支巷宽度研究

根据弹性地基梁理论[12-13]建立如图2所示的力学模型推导工作面顶板挠曲微分方程,研究窄条带充填开采矿山压力活动规律。

图2 条带膏体充填支承柱体稳定性力学模型

在顶板未垮落的情况下,图2所建立的力学模型可看作弹性基础上的梁的弯曲。根据材料力学中弹性地基梁理论,在模型中地基任意一点的下沉量与这一点的单位面积上的压力p成正比,因此充填体的两侧的压力为:

p=kY

(2)

式中:k为地基系数;Y为两侧压缩量。

梁的挠度微分方程为:

(3)

式中:I为惯性矩;E为弹性模量;y为挠度;qz为外载。

上岩梁受上覆岩层对充填体施加的均布载荷q及充填体的反作用力pc共同作用,因此本模型中上岩梁的外载荷qz为:

qz=q-pc=q-ky

(4)

则采空条带上方梁的外载可表示为:

qz=q

(5)

将式(3)分别带入式(4)、(5)可得到工作面顶板岩梁挠曲微分方程式:

(6)

(7)

(8)

顶板岩梁的挠度y(x)、岩梁截面转角θ(x)、弯矩M(x)、剪力Q(x)之间的关系式为:

(9)

(10)

(11)

由采空条带上方顶板与两侧充填体连续条件可得:

(12)

(13)

对方程(8)～(13)进行联立求解同时带入高河煤矿的地质参数条件,可以计算出积分常数d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d11、d12的具体数值。

根据公式(8)可得,影响条带膏体充填顶板的下沉量的主要因素有顶板的弹性模量E,膏体充填开采的条带宽的b,开采充填后顶板已经下沉的位移Z,膏体的弹性地基系数k.采用控制变量法对不同影响因素对顶板下沉量的影响进行研究分析。在对不同条带宽度进行研究时,控制其他变量,强度为4.5 MPa的充填体,充填体的欠接顶量120 mm.计算求出顶板的下沉值,如表1所示。

表1 窄条带宽度对顶板下沉的影响

如图3所示,顶板最大下沉值随条带宽度增加而加大,当条带宽度大于6 m时,曲线出现明显拐点,顶板下沉量变化率增大。则最优条带宽度应考虑4～6 m.

图3 顶板下沉量与条带宽度关系图

3 基于数值模拟分析的支巷宽度研究

本节基于上述理论分析结论,分别针对支巷宽度为4 m、5 m、6 m时围岩塑性区、位移进行分析,进一步对最优支巷宽度进行研究。

E1309条带开采工作面主采3号煤,煤层平均厚度6.6 m,埋藏深度平均470 m,老顶为粉砂岩-细粒砂岩-粉砂岩,厚度8.15 m;直接顶为细粒砂岩-粉砂岩,厚度7.51 m;伪顶为泥岩,厚度0.34 m;直接底为泥岩,厚度0.45 m;老底为粉砂岩-泥岩-粉砂岩-砂质泥岩-粉砂岩,厚度为14.95 m.条带工作面沿煤层顶板回采,矩形断面,先开采顶板向下3.5 m厚的煤层,回采完成后,对条带进行卧底,卧底深度3.1 m,卧底完成后,对条带开采区域进行膏体充填。

根据上述内容,建立数值计算模型。模型共建立15层岩层,底板6层,顶板8层。模型长85 m,宽120 m,高64 m,工作面布置在模型中央,对位于模型中部工作面、煤层及其直接顶底板进行网格加密处理。模型上覆岩层470 m,故垂直方向施加应力模拟上覆岩层的自重应力σzz=11.75 MPa.模型沿走向和倾向方向施加水平应力,侧压系数取1,岩层属性采用Mohr-Coulomb本构模型。条带工作面支护采用cable单元模拟锚杆、锚索。计算模型如图4～图6所示。

图4 数值模拟模型

图5 开采后塑性区发育

图6 下分层开采后塑性区发育

如图5所示,上分层开挖后,随着支巷宽度增大,条带工作面围岩塑性区范围明显增大。条带工作面围岩主要受到剪切及拉伸破坏,顶底板剪切破坏随围岩稳定逐渐停止,但条带工作面两帮仍在发生蠕变剪切破坏。对比3种宽度支巷,4 m及6 m支巷均在围岩稳定后继续出现较大蠕变破坏,而5 m支巷蠕变破坏却较少地分布于围岩浅部。

下分层开采后,工作面围岩塑性区深度随支巷宽度增大而增大。相比于上分层开采,帮部塑性区深度增大了71%～106%,顶板塑性区深度基本不变,底板塑性区深度有所减小。随着支巷宽度的增大,条带工作面顶底板出现明显的拉伸破坏区。

塑性区范围越小,越有利于支巷围岩稳定。支巷宽度为5 m时,条带工作面围岩塑性破坏较小,对支巷围岩稳定较为有利。

如图7～图9所示,支巷上分层回采后,两帮水平位移基本沿条带工作面中心线对称分布,但随支巷宽度增大,两帮水平位移也产生较大变化。当支巷宽度为5 m时,条带工作面两帮移进量最小,为104 mm,相比于支巷宽度为4 m和6 m时的120 mm和140 mm,稳定性更好。下分层开采后,宽度为4 m支巷两帮移进量约为200 mm;当支巷宽度为5 m时,条带工作面两帮移进量减小到184 mm;当支巷宽度为6 m时,条带工作面两帮移进量增大到228 mm.

图7 支巷宽度4 m开挖后两帮位移图

图8 支巷宽度5 m开挖后两帮位移图

图9 支巷宽度6 m开挖后两帮位移图

如图10～12所示,上分层开采后,随着支巷宽度增大,条带工作面顶底板移进量逐渐增大。支巷宽度为4 m时,条带工作面顶板下沉量约为24 mm,底板鼓起量约为60 mm;支巷宽度为5 m时,工作面顶板下沉量增加到32 mm,增加了33%,底板鼓起量增加至72 mm,增加了20%;当支巷宽度为6 m时,工作面顶板下沉量为42 mm,相比于4 m时增大了72%,比5 m支巷增大了31%,底板鼓起量为82 mm,相比于4 m时增大了36%.

图10 支巷宽度4 m开挖后顶底板位移图

图11 支巷宽度5 m开挖后顶底板位移图

图12 支巷宽度6 m开挖后顶底板位移图

下分层开采后,支巷宽度为4 m时,条带工作面顶板下沉量约为30 mm,底板鼓起量约为24 mm;支巷宽度为5 m时,条带工作面顶板下沉量增加到40 mm,增加了33%,底板鼓起量增加至25.4 mm,增加较小;当支巷宽度为6 m时,条带工作面顶板下沉量为56 mm,相比于4 m时增大了86%,比5 m支巷增大了40%,底板鼓起量为25 mm.

综上,支巷宽度为4 m时,条带工作面顶板下沉量和底板鼓起量均比较小;支巷宽度为5 m时,条带工作面顶板下沉量和底板鼓起量比支巷宽度为4 m时都有所增加,但增加幅度相对较小;支巷宽度为6 m时,条带工作面顶板下沉量和底板鼓起量增大幅度明显。

综合顶底板及两帮位移分布特征,在上分层和下分层开采过程中,随着支巷宽度的增大,条带工作面的整体位移变化都会逐渐增大。其中,支巷宽度为5 m时,条带工作面两帮移进量最小,条带工作面顶板下沉量相对较小,底板鼓起量相对较小,稳定性最好,因此支巷宽度5 m支巷更优。

4 工程实践

上文通过理论分析及数值模拟对比分析了不同支巷宽度上、下分层开采后条带工作面围岩矿压活动特征。根据分析结论,基于高河矿地质条件,当巷高为6.6 m时,支巷宽度选择5 m更优。综上,高河矿E1309充填开采工作面支巷宽度确定为5 m,现场实践并对其进行矿压监测。采用12CM30型掘锚一体机分两步一次采全高,掘宽可达5.3 m.

如图13所示,为条带工作面上分层回采期间工作面表面位移特征,根据总体位移曲线,工作面在回采70 d后围岩逐渐趋于稳定。工作面两帮均为较为软弱的煤体,两帮移近量明显高于顶底板移近量,回采85天后,工作面顶底板移近量最大为82 mm且由于工作面底板为较为软弱的煤体,顶底板移近量主要为底板鼓起,两帮移近量最大为128 mm.

图13 上分层开采条带工作面表面位移

如图14所示,上分层开采结束后,对工作面下分层进行开采,下分层开采后条带工作面高度达到6.6 m,对工作面重新布置表面位移测点,监测条带工作面下分层回采期间条带工作面表面位移特征。根据变形曲线,回采通过测点10 d内,工作面表面位移快速增大,10 d后变形逐渐减缓,总体工作面两帮移近量仍大于工作面顶底板移近量。25 d后,工作面两帮移近量较之上分层开采增大了83 mm,顶底板移近量较之上分层开采增大了51 mm.

图14 下分层开采条带工作面表面位移

根据矿压监测数据,条带工作面围岩稳定,未出现较大变形,满足生产要求。条带工作面回采后,由于两帮为较为软弱的煤体,两帮位移量明显大于顶底板位移量。下分层回采后,工作面顶底板及两帮位移量均有所增大,条带工作面两帮移近量增大相比于顶底板更明显,条带工作面回采时,应注意条带工作面帮部围岩变形情况。

5 结 语

本文以高河矿E1309工作面为工程背景,通过理论分析及数值模拟对分带充填开采条带宽度进行了研究,具体研究内容如下:

1) 基于弹性地基梁理论建立了窄条带膏体充填开采支承柱体稳定性力学模型,推导得出顶板岩梁挠曲微分方程并初步掌握窄条带膏体充填开采覆岩移动破坏规律,通过理论计算得出条带宽度在4～6 m时顶板下沉量最小。

2) 通过数值模拟分别研究了条带宽度为4 m、5 m、6 m时条带围岩的塑性区、位移分布,对各项结果进行对比分析,综合考虑确定最优条带宽度为5 m.

3) 通过工程实践验证了本论文研究内容的正确性及可行性,为潞安矿区“三下”压煤边角煤柱回采提供合理思路及工程经验,为其他类似工程条件下窄条带分带充填开采条带宽度的确定提供了计算分析方法及参考依据。