復(fù)采工作面煤柱塑性區(qū)特性及上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

孫俊峰，楊　棟

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024；2.大同市煤礦安全監(jiān)管大隊(duì)，山西神池037034）

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復(fù)采工作面煤柱塑性區(qū)特性及上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

孫俊峰1，2，楊棟1

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原030024；2.大同市煤礦安全監(jiān)管大隊(duì)，山西神池037034）

摘要：在彈塑性力學(xué)極限平衡理論的基礎(chǔ)上建立了煤柱塑性區(qū)計(jì)算模型，分析得出制約煤柱塑性區(qū)寬度的因素主要包括：煤體單軸抗壓強(qiáng)度、開采深度、煤層厚度及硬度。通過對(duì)復(fù)采工作面的礦壓觀測(cè)及理論分析得到了采場(chǎng)上覆巖層的演化規(guī)律；得出在房柱式復(fù)采條件下回收底煤與上層煤柱時(shí)，回采巷道的超前支護(hù)距離為38 m；在煤柱下方回采時(shí)煤體應(yīng)力、頂?shù)装濉蓭鸵平考皦毫笥诓煽諈^(qū)下方。

關(guān)鍵詞：塑性區(qū)；復(fù)采；支架載荷；巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律

在煤炭開采初期，受到設(shè)備及支護(hù)材料等諸多因素的制約，大多數(shù)煤礦采用房柱式開采[1]。在留設(shè)煤柱時(shí)往往過于保守，尤其針對(duì)稀有煤層而言，過寬的保護(hù)煤柱不僅造成了資源的浪費(fèi)也給企業(yè)帶來一定損失[2-3]。受到采動(dòng)影響后，在上覆巖層壓力作用下殘留的煤柱均遭受到不同程度的破壞，煤柱內(nèi)應(yīng)力分布已發(fā)生變化，進(jìn)而影響上覆巖層的演化過程，這給復(fù)采工作帶來一定難度[4-5]。然而對(duì)復(fù)采工作面上覆巖層演化規(guī)律的研究較少，因此，本文以小型礦井房柱式開采為復(fù)采前提條件，運(yùn)用彈塑性力學(xué)進(jìn)一步分析影響煤柱塑性區(qū)寬度的因素及復(fù)采工作面上覆巖層的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，并確定了復(fù)采工作面的超前支護(hù)距離，為復(fù)采工作提供理論及工程實(shí)踐依據(jù)。

1　殘留煤柱塑性區(qū)特性

由于復(fù)采煤柱的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度，在煤柱中間位置處截取剖面，此時(shí)，煤柱受力狀態(tài)簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力問題，計(jì)算模型見圖1。

圖1　煤柱塑性區(qū)應(yīng)力計(jì)算模型

1.1基本方程

由極限平衡理論可知，煤柱邊界一定區(qū)域內(nèi)滿足極限平衡方程：

在塑性區(qū)與彈性區(qū)邊界處（X=x0處），邊界條件為：

式中：M為煤層厚度，m；Px為煤壁沿x方向的約束力，N；λ為側(cè)壓系數(shù)；c0為煤層與頂、底板煤層界面的粘聚力，MPa；φ0為煤層與頂、底板煤層界面的內(nèi)摩擦角，°。

由方程（1）、（2）求解可知塑性區(qū)寬度[6]：

式中：M為煤層厚度，m；H為開采深度，m；k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層平均容重，kN/m；Px為煤壁沿x方向的約束力，N；λ為側(cè)壓系數(shù)；C0為煤層與頂、底板煤層界面的粘聚力，MPa；φ0為煤層與頂、底板煤層界面的內(nèi)摩擦角，°。

實(shí)際上Px=0，并且考慮開采擾動(dòng)影響，式（3）簡(jiǎn)化改寫為[7]：

式中：M為煤層厚度，m；H為開采深度，m；γ為上覆巖層平均容重，kN/m；Px為煤壁沿方向的約束力，N；R為塑性區(qū)寬度，m；k為應(yīng)力集中系數(shù)；d為開采擾動(dòng)因子；λ為側(cè)壓系數(shù)；C0為煤層與頂、底板煤層界面的粘聚力,MPa；φ0為煤層與頂、底板煤層界面的內(nèi)摩擦角，°。

1.2房柱式開采后煤柱承載變形特性

就房柱式開采而言，由于煤柱與煤柱之間為采空區(qū)，所以煤柱由之前的三軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)階段的二軸應(yīng)力狀態(tài)，隨著煤柱復(fù)采工作的進(jìn)行，此時(shí)煤柱在上覆巖層壓力與采動(dòng)影響共同作用下，當(dāng)煤柱周邊應(yīng)力超過其自身強(qiáng)度，塑性區(qū)不斷加大，最終導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)破壞。如果正處于復(fù)采工作的煤柱突然失穩(wěn)破壞，很可能引起下一個(gè)煤柱連鎖破壞，最終威脅整個(gè)復(fù)采工作面，所以下文將分析不同因素對(duì)煤柱塑性區(qū)寬度的影響，確定復(fù)采工作的超前支護(hù)距離。

2　煤壁塑性區(qū)寬度的討論

2.1塑性區(qū)概念

開挖時(shí)，采場(chǎng)煤壁應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限，采場(chǎng)煤壁附近的煤體首先破壞，并向內(nèi)擴(kuò)張，形成一個(gè)破壞區(qū)，稱為塑性區(qū)。

2.1影響塑性區(qū)寬度因素分析

由式（4）可知，不同因素下對(duì)煤柱塑性區(qū)寬的影響呈現(xiàn)如下規(guī)律[7]：1）煤體單軸抗壓強(qiáng)度增加，塑性區(qū)寬度變小。2）x0與H成正比關(guān)系，即采深增加，塑性區(qū)寬度相應(yīng)變大。

3）在其他因素影響下，x0隨著M增加而變大，但不呈現(xiàn)線性規(guī)律變化。

4）煤層硬度一定時(shí)，煤層與頂、底板結(jié)合程度不同，塑性區(qū)寬度也不相同，隨著粘結(jié)性能的提高，塑性區(qū)寬度反而變小。

5）σy增大，x0變??；當(dāng)煤體強(qiáng)度較高時(shí)，σy對(duì)x0影響相對(duì)較小，當(dāng)煤體強(qiáng)度低時(shí)，σy對(duì)x0的影響相對(duì)較大。

3　復(fù)采工作面采空區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律

3.1采空區(qū)圍巖活動(dòng)探討

在受到工作面采動(dòng)影響后，工作面上覆巖層原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，當(dāng)推進(jìn)一段距離后，直接頂發(fā)生垮落。如果垮落的巖層不足以充滿采空區(qū)，這樣工作面上方的老頂在煤柱支承的條件下，形成兩端固定梁的狀態(tài)，由于煤柱之間的距離小于老頂?shù)某醮慰迓洳骄?，老頂暫時(shí)不會(huì)發(fā)生垮落，但隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)和時(shí)間的推移，固定梁兩端首先發(fā)生斷裂，此時(shí)暴露的老頂由最初的固定梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殂q接梁，由于此時(shí)鉸接梁中間受到較大的拉力，老頂從中間斷裂，進(jìn)而發(fā)生垮落。老頂受力過程見圖2。

圖2　復(fù)采工作面頂板受力分析圖

3.2采空區(qū)內(nèi)煤柱穩(wěn)定性分析

通過上述分析，老頂?shù)氖芰顟B(tài)由最初的固定梁結(jié)構(gòu)逐漸演化成鉸接梁結(jié)構(gòu)。由實(shí)驗(yàn)可知，煤柱的破壞形式主要有3種，見圖3。在老頂經(jīng)過暴露→變形→斷裂→垮落的過程后，上覆巖層的壓力通過煤柱，并最終傳遞給下部煤體及下部巖層。采空區(qū)巖層移動(dòng)概貌圖見圖4。

圖3　煤柱破壞形式

圖4　采空區(qū)巖層移動(dòng)概貌圖

4　復(fù)采工作面礦壓觀測(cè)

為掌握復(fù)采工作面在回采過程中礦壓特性及其規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)復(fù)采工作面進(jìn)行了礦壓觀測(cè)。在回采工作面兩端及中部布置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置2個(gè)壓力計(jì)，針對(duì)2個(gè)順槽內(nèi)頂?shù)装逡平考捌漤槻凼芰η闆r和工作面支架壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。

4.1復(fù)采工作面情況概述

本工作面布置在刀柱工作面下部所遺留的煤層中，遺煤為3號(hào)煤層。下部遺棄煤層平均厚度2.0 m，工作面長(zhǎng)75 m，走向長(zhǎng)405 m，煤柱間距30 m，此次回采工作采用一次采全高并且回收上層煤柱?；夭墒疽鈭D見圖5。巷道布置圖見圖6。

圖5　回采工作面回采示意圖

圖6　回采工作面巷道布置圖

4.2礦壓觀測(cè)結(jié)果及其規(guī)律分析

礦壓觀測(cè)顯示：

1）復(fù)采工作面初次來壓及周期來壓情況明顯。

2）煤柱與采空區(qū)下采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)不同。

3）在進(jìn)入煤柱下方時(shí)支架所承受的載荷要比推出煤柱時(shí)大。

對(duì)以上3種現(xiàn)象進(jìn)行分析：雖然上層老頂經(jīng)過一系列的演化過程，跨落后，但是由于老頂?shù)恼w強(qiáng)度大，垮落的老頂仍然會(huì)相互擠壓形成鉸接拱結(jié)構(gòu)，并形成新的平衡，此結(jié)構(gòu)在受到老頂上覆巖層的作用下，進(jìn)一步發(fā)生斷裂→失衡→垮落，從而復(fù)采工作面會(huì)出現(xiàn)較為明顯的初次來壓與周期來壓。剛剛推進(jìn)到煤柱下方時(shí)，此時(shí)煤柱受采動(dòng)影響不大，煤柱存在一定寬度的核區(qū)，并未完全失穩(wěn)，所以煤柱仍然承受較大的頂板壓力，而在推進(jìn)到采空區(qū)下方時(shí)，由于直接頂完全破碎，對(duì)上覆巖層傳遞下來的壓力起到了一定的緩沖作用，故此在煤柱下方時(shí)支架承受較大的載荷，進(jìn)而呈現(xiàn)出不同的采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)。

4.3順槽礦壓觀測(cè)結(jié)果及其規(guī)律分析

通過對(duì)順槽頂?shù)装逡平?、煤體應(yīng)力、及順槽受力情況進(jìn)行觀測(cè)與記錄（見圖7-圖9），經(jīng)分析得出以下結(jié)論：

距工作面煤壁38 m時(shí)，煤體應(yīng)力、移近量（頂?shù)装?、兩幫）、壓力（頂、幫壓）開始顯現(xiàn)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，除順槽兩幫壓力變化較小外，其它各項(xiàng)曲線均表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，其中，順槽的頂?shù)装迮c兩幫移近量在8 m～38 m范圍內(nèi)時(shí)，前者總是大于后者，但在0～8 m范圍內(nèi)兩者位移量基本相同。而順槽的頂壓與幫壓卻呈現(xiàn)出不同的結(jié)果，在32 m～38 m范圍內(nèi)時(shí)，兩者相差較小，但在0～30 m范圍內(nèi)頂壓明顯高于兩幫壓力。煤體應(yīng)力在24 m～38 m范圍內(nèi)時(shí)應(yīng)力變化較小，但在24 m以后應(yīng)力變化出現(xiàn)較為明顯。

圖7　順槽頂板、兩幫壓力與工作面煤壁距離曲線

圖8　順槽頂板、兩幫移近量與工作面煤壁距離曲線

圖9　前方煤體應(yīng)力與工作面煤壁距離曲線

表1為支架處在不同位置時(shí)支架阻力的對(duì)比分析，由表中數(shù)據(jù)可知，支架處在煤柱下時(shí)載荷、位移量、煤體應(yīng)力均比采空區(qū)下大。

表1　煤柱與采空區(qū)下回采巷道礦壓參數(shù)比較

綜上所述可知，復(fù)采時(shí)可以基本確定超前支護(hù)距離為30 m，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析又進(jìn)一步驗(yàn)證了上述理論研究。

5　結(jié)論

1）由力學(xué)分析可知影響煤柱塑性區(qū)寬度的因素很多，不同因素對(duì)煤柱塑性區(qū)的影響有明顯的差異。

2）通過對(duì)復(fù)采工作面上覆巖層演化過程的分析可知，在基本頂完全垮落時(shí)，上方老頂并沒有突然垮落，而是經(jīng)過最初的固定梁結(jié)構(gòu)之間演變?yōu)殂q接梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)過時(shí)間的推移才進(jìn)而發(fā)生破壞。

3）復(fù)采過程中，在回采到煤柱下方時(shí)相比在采空區(qū)內(nèi)壓力大，且復(fù)采工作面有較為明顯的初次來壓與周期來壓。

4）通過礦壓觀測(cè)可知超前支護(hù)距離為38 m。

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（編輯：樊敏）

Plastic Zone Features of Coal Pillars and Movement of Overlying Strata on Repeated Mining Face

SUN Junfeng1,2, YANG Dong1
(1. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. Datong Coal Mine Safety Supervision Brigade, Shenchi 037034, China )

Abstract:Based on the limit equilibriumtheoryofelastic- plastic mechanics, calculation model ofthe plastic zone ofcoal pillars is established toanalyze and conclude that the major factors restricting the width of the plastic zone include: uniaxial compressive strength of coal mass, mining depth, coal seam thickness and hardness. The pressure observation and theoretical analysis obtain the development regularity of overlying strata. The distance of advance support is 38 meters when bottom coal and upper coal pillar are recovered in the room- pillar repeated mining. In addition, the coal stress, roof- floor and two- side convergence and stress when miningunder the pillars are larger than those when miningunder the goaf.

Keywords:plastic zone; repeated mining; support load; strata movement regularity

作者簡(jiǎn)介：孫俊峰（1988-），男，山西神池人，在讀工程碩士，助理工程師，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015- 10- 06

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.017

文章編號(hào)：1672- 5050（2016）01- 0058- 04

中圖分類號(hào)：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A