煤矿井下围岩形变特性分析

引言

随着科技的进步和煤矿井下综采技术的不断提高,煤矿综采作业深度不断增加,对井下巷道围岩的支护效率和稳定性的要求不断提升,目前在煤矿井下进行支护作业时通常是根据地质条件进行逐级支护,支护针对性差,在综采作业过程中振动、冲击影响下极易出现变形、垮落,严重影响了煤矿井下的综采作业效率和安全性。因此本文提出了一种新型的三维仿真分析方案,利用FLAC仿真分析软件建立了井下巷道围岩结构三维模型,对受力条件下的围岩结构受力变形特性进行仿真分析,根据仿真分析结果针对性的设计围岩支护方案,通过在西山鸿兴煤业下的实际应用情况表明,根据仿真分析结果设计围岩支护的方案具有支护效率高、针对性强,支护效果好,围岩稳定性高的优点。

1.矿井基本地质情况

含煤地层包括石炭系中统本溪组,上统太原组及二叠系下统山西组和下石盒子组。主要含煤地层为太原组和山西组,全区可采煤层均赋存在这两组地层中。本溪组和下石盒子组含1～3层薄煤层,均为不可采煤层。下面将主要含煤地层的厚度、岩性、岩相、物性、沉积特征及其在走向和倾向上的变化分别叙述。岩性主要为灰黑色、黑色泥岩、粉砂岩、灰色、灰白色细-中粒砂岩、石英砂岩,深灰色生物碎屑微晶灰岩和含生物碎屑泥(微)晶灰岩,含煤层6～11层。其中5、6、7、7下、8和11下号为不可采煤层,9、10号煤层为大部可采煤层,11号煤层为全区主要可采煤层。本组厚度变化的总趋势是南部薄,北部厚。最厚点为2502号钻孔,厚112.50m,最薄点为503号钻孔,厚66.70m,平均厚87.14m。

矿井巷道区域位于太原组下段上部的9号煤层,上距6号煤层46.84～54.55m,平均间距50.81m,煤层顶板为K2石灰岩,底板为粉砂岩。煤层厚度1.51～2.55m,平均2.06m,该煤层含1层夹矸,结构简单,东北部夹矸厚度增大,属全区稳定的可采煤层,煤层厚度变化趋势,四周厚中部薄。

2.仿真分析模型的建立

根据煤矿井下巷道内的实际地质结构条件,设置仿真分析模型的模型尺寸长度为1000m,宽度为200m,沿煤层高度方向上的厚度为300m。利用仿真分析软件对模型进行网格化处理,在巷道四周采用自动网格划分方案,整个模型共有273933个网格单元,173982个节点,巷道断面尺寸为5m×3m。为了确保仿真分析结果的准确性,在设置分析模型时,选用了库伦本构算法模型,在仿真分析模型的外侧采用销接,底座上采用固定支撑,在模型的上侧为开放的自由边界。根据对井下巷道内地质特性和煤岩特性的分析,结合实际测量的综采作业时不同距离上的应力波动,设置其作用在围岩上的垂直应力为8MPa,其水平应力为9.2Mpa,则在垂直应力和水平应力作用下围岩结构的受力如图1、图2所示。

由仿真分析结果可知,在综采作业期间,受综采脉动应力的影响,在围岩四周发生了显著的塑性破坏,在围岩内的垂直应力的加大较为显著,其最大应力波动约为35.6MPa,应力的波动远大于最初8MPa的初始应力,比最初增加了4.45倍。由于围岩的变形导致在综采作业面为主出现明显的垂直应力集中的现象,其最大应力集中约为22MPa,因此将会进一步压迫支护结构,使其发生变形。在综采作业期间围岩内的水平应力最大约为13.8MPa,比最初的9.2MPa仅增加了1.5倍,且作用在围岩内的水平应力主要分布在围岩两侧边缘区域,该区域处紧邻煤岩,具有较高的稳定性。由此分析可知,在综采作业过程中影响围岩稳定性的主要因素为垂直应力,水平应力对围岩稳定性的影响较小。

3.围岩支护方案优化

根据仿真分析结果,针对现有的围岩支护结构进行了优化,用于加强对围岩的支护结构,防止围岩出现变形,具体包括以下几个方面:

(1)首先在围岩附加的应用支架的前梁位置设置一组金属防护网,使其从巷道运输煤帮一侧岩石到工作面方向上,使该区域内的金属防护网连接成一个整体,在金属护网的相互搭接的位置,设置不小于200mm的重叠搭接区,金属护网的金属孔直径小于50mm,采用隔环相连的方式进行布设。

(2)增加围岩支架末端切顶线后的实际控顶面积,使其由目前的600mm2增大到950mm2,同时在支架的后侧设置两组支撑柱,使各支撑柱之间的距离为5000mm,采用交叉布置的方式进行设置,各个支柱的直径为350mm,在支护过程中为了确保各个支柱的稳定性,在下侧采用槽钢加强。

(3)加强混凝土支护结构的支护强度,在井下巷道内每相距700mm～900mm就设置一组箱型梁结构,采用一梁两柱的形式,围岩支护立柱和箱型梁的两侧距离要小于100mm,随着综采作业的继续,当支护结构前移时,对箱型梁的设置采用由外向内逐级增加的方式,确保在整个围岩结构四周的支护可靠性。

采用优化后的支护方案,对井下综采面内围岩结构的变形情况进行监测,当综采面综采500m后,对距离采煤机端部100m处的围岩变形情况进行测量,其变形量约为144mm,与优化前的477mm相比,围岩的变形量降低了69.8%,由此表明优化后支护方案的有效性。

4.结论

针对西山鸿兴煤业井下巷道内围岩受应力变形大,对井下综采作业和支护安全造成严重影响的情况,提出利用仿真分析软件建立井下围岩支护结构三维模型,对综采作业冲击下的围岩变形情况和趋势进行分析,并根据分析结果针对性的优化了井下支护方案,根据实际应用结果表明:

(1)在综采作业过程中影响围岩稳定性的主要因素为垂直应力,水平应力对围岩稳定性的影响较小。

(2)采用在围岩附加的应用支架的前梁位置设置一组金属防护网、增加围岩支架末端切顶线后的实际控顶面积、加强混凝土支护结构的支护强度等方式,能够显著提升围岩支护稳定性,减少围岩的结构变形。

摘要：针对西山鸿兴煤业井下巷道内的围岩工作时易产生变形、垮落,给煤矿井下综采作业带来严重威胁的现状,利用仿真分析软件,建立了煤矿井下巷道围岩的仿真分析模型,对综采作业时巷道围岩的受力特性进行了仿真分析,结果表明在综采作业时围岩内垂直方向上的应力变化和水平方向上的受力变化显著的大于巷道的基本顶,在综采作业时振动冲击影响下围岩极易发生底鼓现象。根据仿真分析结果,针对性的提出了新的巷道围岩支护方案,根据在西山鸿兴煤业的应用表明,采用模拟仿真分析的方案能够准确的判断出围岩的受力变化情况,针对性的制定支护方案,显著提升了井下支护作业效率,提高了围岩结构的稳定性,具有较大的应用推广价值。

关键词：围岩,变形特性,仿真分析,支护

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