密闭墙稳定性数值模拟分析及其应用_杨文岗.pdf

612023 年第 2 期杨文岗：密闭墙稳定性数值模拟分析及其应用杨文岗：密闭墙稳定性数值模拟分析及其应用收稿日期 2022-08-12作者简介 杨文岗（1987），男，陕西榆林人，2010 年毕业于内蒙古科技大学采矿工程系，本科，工程师，工作于陕西有色榆林煤业有限公司，研究方向：采矿工程。密闭墙稳定性数值模拟分析及其应用杨文岗（陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719000）摘 要 密闭墙在煤柱回采过程中易失稳，为保证密闭墙的稳定性，榆林煤业利用 FLAC3D软件建立数值模型进行了模拟分析。分析表明，30110 工作面运输顺槽与密闭墙的合理间距为 8 m。在大巷保护煤柱回收过程中进行现场试验验证，表明该距离能够保证密闭墙的气密性和稳定性。关键词 煤柱；密闭墙；稳定性；模拟中图分类号 TD726 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.023Numerical Simulation Analysis of Stability of Airtight Wall and Its ApplicationYang Wengang(Shaanxi Youse Yulin Coal Industry Co.,Ltd.,Shaanxi Yulin 719000)Abstract:The airtight wall is easy to lose stability in the process of coal pillar mining.In order to ensure the stability of the airtight wall,Yulin Coal Industry uses FLAC3D software to establish a numerical model for simulation analysis.The analysis shows that the reasonable distance between the transportation groove and the airtight wall in the 30110 working face is 8 m.The field test verification is carried out in the process of recovering the protective coal pillar in the main roadway,which shows that this distance can ensure the air tightness and stability of the airtight wall.Key words:coal pillar;airtight wall;stability;simulation杨文岗：密闭墙稳定性数值模拟分析及其应用杨文岗：密闭墙稳定性数值模拟分析及其应用1 工程概况陕西有色榆林煤业有限公司开采 3#煤层，位于延安组第四段的顶部，煤层厚度 4.8511.90 m，平均厚度 8.36 m，结构简单，属全区可采的稳定型厚煤层。煤层直接顶板以粉砂岩、泥岩为主，少量细粒粗粒长石砂岩；直接底板以粉砂岩、泥岩为主，少量细-粗砂岩、碳质泥岩。矿井瓦斯绝对涌出量1.33 m3/min，相对涌出量 0.08 m3/t；3 号煤层自燃倾向性为“类”容易自燃煤层，煤层具有自然发火危险。2 密闭墙稳定性数值模拟分析2.1 计算模型建立本次煤柱回收利用采区回风巷作为 30110 工作面回风顺槽，在采区运输巷南侧距离密闭墙 L 米处布置 30110 工作面运输顺槽，如图 1 所示。为了确定 30110 工作面运输顺槽合理的布置位置，采用 FLAC3D软件建立数值分析模型，模型为 160 m120 m66 m（长 宽 高）长方体。为满足煤柱回收现场逐段回收的情况，模型煤层每隔 20 m为一段进行回采，本数值模拟实验共设计了 5 个方案，各方案中 30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 分别为 2 m、4 m、6 m、8 m、10 m。图 1 煤柱回收采区布置及模型图在矿井的地质报告和实验室力学测试结果的基础上，进行模型岩体物理力学参数的确定，如表 1所示。构筑密闭墙的巷道尺寸为 4 m2.9 m，密闭墙前后使用水泥砖块砌筑砖墙，中间填充黄土并夯实，密闭墙宽度为 3.2 m，前后砖墙各 1 m，中间黄土夯实部分为 1.2 m。622023 年第 2 期表 1 岩体物理力学参数岩性岩层厚度/m密度/（kg/m3）体积模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa内摩擦角/（）主采煤层3#煤层8.3613880.900.641.8122底板砂质泥岩1024590.270.212.0226粉砂岩6261111.496.5614.4539密闭墙砌筑砖墙1230015.810.2926.62夯实黄土1.218100.90.892.622.2 数值模拟分析2.2.1 位移数据分析通过数值模拟分析得出密闭墙前后砖墙中心位置表面位移图如图 2。数值模拟位移图表明1-3：（1）密闭墙前后砖墙中心位置表面位移量及规律大致相同。不同距离 L 密闭墙前后砖墙中心位置变形量在回采期间可以分为 3 个阶段：第一个阶段为回采工作面推进 040 m，密闭墙不受采动或者受采动影响比较小，密闭墙前后表面位移量均不大于 8 cm；第二阶段为回采工作面推进 4060 m，密闭构筑物受采动影响比较明显，密闭墙前后表面位移量均不大于 20 cm；第三阶段为工作面推进 60 m之后，密闭墙受采动影响比较严重，密闭墙前后表面位移量急剧增加，不同预留煤柱密闭墙前后表面位移量产生明显差别。（2）第一阶段和第二阶段不同预留煤柱密闭墙前后表面位移量没有明显差别，但是当进入第三个阶段后，不同预留煤柱密闭墙前后表面位移量开始产生明显差别。当 30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 为 2 m、4 m、6 m 时，随着工作面推进，密闭构筑物前后表面位移量增长速度特别快，密闭构筑物前后分别向巷道内严重鼓出并伴随着密闭构筑物前后砖墙开始破碎，严重影响了密闭构筑物的稳定性和气密性。当 30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 为 8 m、10 m 时，密闭构筑物前后表面位移增长速度比较缓慢，且随着距离 L 的增大密闭构筑物前后砖墙表面位移量逐渐减小，距离 L 为 10 m 时达到最小为 36 cm。但是当 30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 为 8 m 之后，密闭构筑物前后砖墙表面位移量降低幅度变小，甚至密闭构筑物前后表面移量基本相当。（3）当 30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 为 2 m、4 m、6 m 时，密闭墙前后砖墙表面位移量比较大，严重影响了密闭构筑物的稳定性和气密性，不能保证矿山安全高效生产。当 30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 为 8 m、10 m 时，随着工作面的推进，密闭构筑物前后砖墙表面位移量比较小，且当距离 L 为 8 m、10 m 时，密闭构筑物前后砖墙表面位移量在工作面推进相同位置时相差不大。综上考虑 30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 为 8 m 时比较合理。图 2 密闭墙前后砖墙中心位置表面位移图2.2.2 塑性区分布数据分析FLAC3D软件建立数值分析模型，分别针对距离 L 为 2 m、4 m、6 m、8 m、10 m 五个方案的工作面推进距离为 20140 m 进行模拟分析4-8，得出密闭墙塑性区分布结果：（1）密闭墙的塑性区分布范围随着工作面推进距离的增加而逐渐增大，密闭墙大部分范围发生的是剪切破坏；随着 30110 工作面运输顺槽距密闭构筑物的距离 L 的增大，密闭墙的塑性区范围减少。当 30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 超过 8 m 之后，塑性区减少的范围并不明显；工作面推进到 80 m 时（即工作面开始远离密闭墙），30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 为 8 m 和 10 m 的塑性区比较小、范围接近。（2）密闭墙的塑性区扩展往往是从密闭墙的前后砖墙开始的，最后才会扩展到密闭墙中间的黄土夯实部分。也正是因此只要密闭墙前后砖墙并没有完全发展为塑性区，中间黄土夯实部分就是稳定的，就能使密闭墙保持一定的气密性和稳定性。632023 年第 2 期杨文岗：密闭墙稳定性数值模拟分析及其应用杨文岗：密闭墙稳定性数值模拟分析及其应用综上，30110 工作面运输顺槽与密闭墙距离 L为 8 m 时，可以保证回采过程中密闭墙的稳定性。2.2.3 垂直应力分布数据分析分析密闭墙中心位置垂直应力分布曲线图 3得出：（1）密闭墙中心位置的垂直应力曲线可分为三类，分别为 V 型、M 型和比较不规则的曲线型。V型代表示不受采动影响或受采动影响很小的阶段，此阶段密闭墙最稳定，其气密性也最好；M 型代表受采动影响比较明显阶段，此阶段密闭墙比较稳定，能基本保持密闭墙的基本功能；不规则的曲线型表示密闭墙受采动影响比较剧烈，密闭墙已经损坏，不具有密闭墙的基本功能。（2）在采动影响下，随着 30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 增大，密闭墙中心位置垂直应力峰值不断增大。30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 从 2 m 增加到 10 m 时，密闭墙中心位置的最大垂直应力从 65 MPa 增大到 76 MPa。（3）密闭墙中心位置垂直应力分布和煤柱两侧是采空区的垂直应力分布比较类似，与煤柱垂直应力分布不同的是，由于密闭墙是组合体，中间位置填充物为黄土层，中间黄土层的垂直应力低于两侧砖墙的垂直应力。（4）当 30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 为 2 m 和 4 m 时，工作面推进 120 m 之后，密闭墙两侧砖墙垂直应力超过了砖墙的强度极限，密闭墙前后砖墙体积膨胀，迅速向巷道内鼓出，密闭墙前后砖墙破坏，其上面的垂直应力比之前降低，但仍然有其残余强度。中间黄土层由于受到前后砖墙的挤压作用，其上的垂直应力比砖墙破坏前的要增大很多。当 30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 超过 6 m 时，密闭墙上方的垂直应力始终为 M型，但其上方的垂直应力随工作面推进距离一直增大，并达到一定值时保持稳定。图 3 密闭墙中心位置垂直应力分布图2.2.4 数值模拟分析结果当 30110 工作面运输顺槽距密闭墙 8.0 m 时，随着工作面的推进，密闭墙的表面位移量比较小，塑性区比较小，能基本保持密闭墙的基本功能。3 工程实例验证为验证 30110 工作面运输顺槽与密闭墙的距离L 为 8 m 合理性，在 3#煤层大巷煤柱回采期间进行了现场试验。密闭墙砌筑位置与运输巷的间距为 8.0 m，该位置巷道断面 3.5 m2.8 m。密闭墙采用水泥砖块砖墙+黄体夯实方式，总厚度 3.2 m，其中水泥砖块砖墙厚度 1 m，前后各 1 道，中间填充黄土厚度 1.2 m 并夯实。砌筑密闭墙后，对密闭墙及其周边巷道的表面位移进行了现场观测，同时对密闭墙附近进行有毒有害气体、瓦斯浓度监测。结果表明，密闭墙砌筑位置巷道围岩并未发生明显变形，墙体的整体性较好，周边巷道也未发生明显变形；监测期间未发现有毒有害气体及瓦斯浓度超标问题。4 结论数值模拟分析结果表明，30110 工作面运输顺槽距密闭墙的距离 L 为 8 m 时，可以保证回采过程中密闭墙的稳定性。在大巷保护煤柱回收过程中进行试验验证，验证结果表明，该距离的密闭墙其气密性和稳定性均得到了保证。【参考文献】1 梁敏.多水平老旧密闭墙加固与有害气体防治技术研究 J.能源与环保，2021，43（08）：53-59.2 孙万明.大面积悬顶采空区防冲击密闭墙设计方法探讨 J.中国矿业，2021，30（S1）：301-304.3 李永利.巷道快速密闭墙技术及装备的研究 J.山东煤炭科技，2019（10）：102-104.4 王姣，杜达文.阳煤一矿高家沟主要通风机负担区域降阻方案J.机械管理开发，2019，34（03）：