長壁工作面合理區(qū)段煤柱寬度的留設(shè)

余 波，于化江，畢忠偉

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長壁工作面合理區(qū)段煤柱寬度的留設(shè)

余 波1，于化江1，畢忠偉2

(1.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 伊金霍洛旗 017209；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013)

根據(jù)察哈素煤礦地質(zhì)條件，應(yīng)用極限強(qiáng)度理論計算方法計算出了長壁工作面護(hù)巷煤柱的合理寬度；采用FLAC3D對長壁工作面區(qū)段煤柱寬度為10，15，20 m 3種條件下的塑性破壞范圍和應(yīng)力分布特征進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，煤柱的塑性區(qū)范圍隨煤柱寬度的增加而減小，二次采動影響大于一次采動影響；煤柱內(nèi)的應(yīng)力大小隨煤柱寬度的不同而變化，曲線整體呈上凸趨勢的應(yīng)力分布規(guī)律；綜合理論計算與數(shù)值模擬結(jié)果，獲得了該礦合理的區(qū)段煤柱寬度為12 m。將結(jié)果應(yīng)用于現(xiàn)場，利用聲波探測儀在現(xiàn)場對巷道11個位置的松動圈進(jìn)行了觀測，驗(yàn)證了區(qū)段煤柱尺寸的合理性，提高了回采率。

煤柱寬度；圍巖破壞范圍；應(yīng)力分布；數(shù)值模擬

留設(shè)區(qū)段煤柱一直是煤礦開采傳統(tǒng)的護(hù)巷方法，傳統(tǒng)的留煤柱護(hù)巷方法是在上區(qū)段運(yùn)輸平巷和下區(qū)段回風(fēng)平巷之間留設(shè)一定寬度的煤柱，使下區(qū)段平巷避開固定支承壓力峰值區(qū)[1]。區(qū)段平巷雙巷在掘進(jìn)和使用過程中，技術(shù)管理簡單，對通風(fēng)、運(yùn)輸、排水和安全都有利。但是，煤柱損失高達(dá)10%~30%，且回風(fēng)巷受二次采動影響，巷道維護(hù)困難，支護(hù)費(fèi)用高。煤柱支承壓力向底板傳播，不僅影響鄰近煤層的開采和底板巷道的穩(wěn)定，還成為引發(fā)沖擊地壓的隱患[2?6]。

國內(nèi)外學(xué)者對區(qū)段煤柱合理尺寸確定方法進(jìn)行了很多研究，其中主要有理論計算法、經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)值模擬法、現(xiàn)場實(shí)測4種方法。在已有的相關(guān)文獻(xiàn)報道中，通過大量現(xiàn)場煤體應(yīng)力測試與有限元模擬結(jié)合的方法來確定煤柱尺寸，也是使煤柱設(shè)計趨于合理的一種方法。本文正是基于此，通過研究確定察哈素煤礦43304工作面的合理區(qū)段煤柱寬度，提高資源回采率。

1 工程概況

察哈素煤礦43304工作面長度為314.27 m，推進(jìn)長度為2337.5 m，煤層平均厚度為3.96 m，傾角1°~3°，留設(shè)煤柱寬度為15 m，容重1.31 t/m3，可采面積為734676 m2，地質(zhì)儲量392.7萬t，設(shè)計平均采高3.8 m，可采儲量365.2萬t，工作面回采率為96%。43304工作面布置見圖1。

43304工作面地層為以極緩的坡度向北西傾斜的單斜構(gòu)造，局部有起伏，斷層不發(fā)育，后生構(gòu)造裂隙發(fā)育。煤層屬簡單結(jié)構(gòu)煤層，工作面老頂為細(xì)粒砂巖，厚度約為1.6~9.29 m，淺灰色，成份以石英長石為主，次為暗色礦物及巖屑，含少量云母及綠泥石顆粒為次棱角狀，分選一般，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，致密堅硬。直接底為泥質(zhì)砂巖，厚度約為0.7~0.9 m，灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，水平層理發(fā)育，致密半堅硬，與底部巖層呈明顯接觸。根據(jù)43304工作面巖芯可知，43304工作面煤層上履巖層從下到上依次為粉砂巖和細(xì)粒砂巖；其中粉砂巖灰色，泥質(zhì)膠結(jié)；細(xì)粒砂巖灰色，泥質(zhì)膠結(jié)。煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 43304工作面布置

表1 43煤層及頂板巖石力學(xué)參數(shù)

2 合理區(qū)段煤柱寬度確定

2.1 理論計算

目前國內(nèi)外研究認(rèn)為護(hù)巷煤柱的載荷是由煤柱上覆巖層重量及煤柱一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量所引起的[7]，如圖2所示。

圖2 計算煤層載荷

煤柱單位面積的平均載荷即平均應(yīng)力為：

式中：為煤柱單位面積的平均載荷，kN；為巷道煤柱上的總載荷，kN；為煤柱寬度，m；為采空區(qū)寬度，取314.27 m；為巷道埋深，取120 m；為采空區(qū)上覆巖層跨落角，取85°；為上覆巖層平均體積力，取13.1 kN/m3；為煤層厚度，取3 m。

上述計算經(jīng)過簡化，以平面問題代替空間問題，以均質(zhì)的上覆巖層取代復(fù)雜的巖層賦存狀況，不涉及上覆巖層的移動，同時不考慮煤柱邊緣部分會產(chǎn)生應(yīng)力集中以及由于煤柱邊緣部分破壞引起應(yīng)力向煤柱深部轉(zhuǎn)移等問題。雖然目前又出現(xiàn)了很多其他理論和計算方法，但該方法仍是最為實(shí)用的煤柱載荷估算方法，計算所得平均應(yīng)力被認(rèn)為是判斷煤柱載荷的重要參數(shù)[8?10]。

目前護(hù)巷煤柱寬度的理論計算方法雖然有很多，但基本觀點(diǎn)均認(rèn)為煤柱的寬度必須保證煤柱的極限載荷，不超過它的極限強(qiáng)度，極限強(qiáng)度可以通過臨界尺寸煤柱的強(qiáng)度R來表現(xiàn)，因此煤柱的寬度可以通過以下公式計算：

式中：R為臨界尺寸煤柱的強(qiáng)度，本文取24 MPa。

將工作面相關(guān)參數(shù)代入式(2)，可得察哈素煤礦43304工作面區(qū)段合理煤柱寬度為12.5 m。

2.2 數(shù)值模擬優(yōu)化

2.2.1 模型建立

采用 FLAC3D數(shù)值計算軟件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)該礦現(xiàn)場地質(zhì)條件，以43304運(yùn)輸巷與43305回風(fēng)巷之間的煤柱作為研究對象。模型長270 m，寬250 m，高50 m，共41175單元塊，45136個節(jié)點(diǎn)，巷道完全在實(shí)體煤中掘進(jìn)，巖層性質(zhì)采用表1的力學(xué)參數(shù)，整個模型底部為固定邊界，沒有水平位移，在模型上部施加垂直應(yīng)力。本數(shù)值模擬共設(shè)計3種方案，煤柱尺寸寬為20，15和10 m，分別模擬一次和二次采動條件下的煤柱塑性區(qū)范圍和支承壓力變化規(guī)律。

2.2.2 塑性破壞范圍變化規(guī)律

煤柱受一次采動影響時(見圖3(a))，在工作面處，塑性區(qū)范圍約為0.6 m；工作面前方10 m處，塑性區(qū)范圍約為0.7 m，同一位置處，43305回風(fēng)巷的塑性區(qū)小于43304運(yùn)輸巷。煤柱受二次采動影響時(見圖3(b))，在工作面處，塑性區(qū)范圍為0.7 m，工作面前方10 m處，塑性區(qū)范圍為0.8 m，同樣可以看出，在工作面前方10 m處的塑性區(qū)大于工作面處的塑性區(qū)。

結(jié)合煤柱為15，10 m時的塑性破壞范圍(未畫出)分布圖可知，煤柱受一次采動影響時，隨著煤柱寬度的增大，塑性區(qū)范圍逐漸減小。43305回風(fēng)巷塑性區(qū)寬度由1.1 m減小為0.8 m，頂板塑性區(qū)寬度由1 m減小為0.6 m。20，15，10 m的煤柱中間存在彈性核，彈性核分布范圍較大，承載能力較強(qiáng)。

20 m煤柱受二次采動影響后煤柱的塑性區(qū)分布見表2。對比一次采動影響和二次采動影響可知，二次采動影響與一次采動影響一樣，隨著煤柱寬度的增大，塑性區(qū)范圍逐漸減小。20，15，10 m的煤柱仍然存在彈性核(非塑性區(qū))，但是10 m煤柱的彈性范圍變小，巷道變形很大。另由計算可知，當(dāng)煤柱寬度小于10 m時，煤柱內(nèi)部已經(jīng)沒有彈性核的存在。在43304運(yùn)輸巷負(fù)幫和43305回風(fēng)巷負(fù)幫，隨著煤柱寬度的減小，塑性范圍增加。

表2 二次采動條件下塑性破壞范圍

頂板的塑性區(qū)變化與煤柱內(nèi)的塑性區(qū)變化類似，隨著煤柱寬度的增加，受一次采動影響，頂板塑性區(qū)寬度由10 m時的0.75 m減小為20 m時的0.5 m，受二次采動影響，頂板塑性區(qū)寬度由10 m時的0.9 m減小為20 m時的0.7 m。

2.2.3 煤柱圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

圖4、圖5為煤柱寬度為20 m時，工作面處和工作面前方10 m處受一次和二次采動影響時垂直應(yīng)力分布變化圖。工作面處受一次采動影響時，43304運(yùn)輸巷正幫內(nèi)2 m處支承應(yīng)力最大(7.7 MPa)，43305回風(fēng)巷正幫內(nèi)1.8 m處支承應(yīng)力最大(7.3 MPa)；工作面前方10 m處，43304運(yùn)輸巷正幫內(nèi)1.7 m處支承應(yīng)力最大(7.6 MPa)，43305回風(fēng)巷正幫內(nèi)1.6 m處支承應(yīng)力最大(7.2 MPa)。

(a) 一次采動；(b) 二次采動

(a) 一次采動；(b) 二次采動

二次開采后，工作面處，43304運(yùn)輸巷正幫內(nèi) 2.1 m處支承應(yīng)力最大(11 MPa)，43305回風(fēng)巷正幫內(nèi)1.4 m處支承應(yīng)力最大(9 MPa)；工作面前方10 m處，43304運(yùn)輸巷正幫內(nèi)2.2 m處支承應(yīng)力最大(11.1 MPa)，43305回風(fēng)巷正幫內(nèi)1 m處支承應(yīng)力最大 (9.2 MPa)。

由圖5可以看出，當(dāng)留設(shè)煤柱寬度為20 m時，煤柱應(yīng)力分布呈“馬鞍型”，側(cè)向峰值應(yīng)力位于煤柱內(nèi)3 m左右，煤柱應(yīng)力集中不是很明顯，應(yīng)力集中系數(shù)只有1.7左右，20 m煤柱時的彈性核寬度為 13 m左右；靠近工作面一側(cè)的應(yīng)力集中大于采空區(qū)一側(cè)，應(yīng)力峰值深度也是靠近工作面一側(cè)偏大。

隨著煤柱由20 m逐漸減小為10 m，煤柱的塑性區(qū)向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，同時煤柱的彈性核也隨之變小。由此可以得出，煤柱在不同寬度時，煤柱內(nèi)的應(yīng)力大小隨煤柱寬度的不同而變化，曲線整體呈上凸趨勢。隨煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值先增后減，即隨煤柱寬度的增加，煤柱承載能力逐漸提高，煤柱起主要承載作用。結(jié)合煤柱內(nèi)塑性區(qū)分布及應(yīng)力分布，可知察哈素煤礦的合理煤柱寬度為10.5 m。

3 松動圈現(xiàn)場測試

通過數(shù)值模擬對煤柱的應(yīng)力、塑性區(qū)進(jìn)行了模擬，為了驗(yàn)證模擬結(jié)果，在43305回風(fēng)巷正幫距工作面100 m處開始布置第1個測點(diǎn)，每隔100 m布置1個測點(diǎn)，測點(diǎn)布置在巷道中點(diǎn)處，共布置11個測點(diǎn)進(jìn)行松動圈觀測。43305回風(fēng)巷道1#測點(diǎn)處松動圈的測試結(jié)果見圖6所示。

通過現(xiàn)場實(shí)測可知，察哈素礦43305回風(fēng)巷道受掘進(jìn)影響時松動圈為中松動圈，且松動圈范圍隨著測點(diǎn)距離掘進(jìn)頭越遠(yuǎn)而逐漸增大。掘進(jìn)影響下，回采巷道正幫松動圈最大為1.4 m，最小為0.7 m；負(fù)幫松動圈最大為1.1 m，最小為0.9 m。

(a) 正幫；(b) 負(fù)幫

由察哈素礦回采巷道兩幫松動圈破壞可知，43305回風(fēng)巷正幫的松動范圍略大于負(fù)幫，正幫破壞較嚴(yán)重。該結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相一致，進(jìn)而說明通過模擬獲得的煤柱寬度留設(shè)具有合理性。

4 結(jié) 論

(1) 通過理論計算與數(shù)值模擬，對察哈素煤礦43304工作面區(qū)段煤柱寬度進(jìn)行了優(yōu)化，其中理論計算為12.5 m；數(shù)值計算方法確定的區(qū)段煤柱寬度為10.5 m。采用數(shù)值模擬法計算的彈塑性區(qū)范圍是煤體側(cè)向峰值應(yīng)力的位置，包含了破裂區(qū)和塑性區(qū)兩部分。綜合理論計算與數(shù)值模擬，最終確定合理的區(qū)段煤柱寬度為12 m。

(2) 利用聲波探測器進(jìn)行了11個位置處的松動圈測試，結(jié)果表明察哈素礦受采掘影響后的松動圈為中松動圈，總體趨勢是距離掘進(jìn)頭越遠(yuǎn)，松動圈范圍有逐漸增大的趨勢。該結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相一致。

(3) 此前察哈素煤礦43304工作面采用的區(qū)段煤柱寬度為15 m，應(yīng)用本研究成果后，將煤柱寬度縮小為12 m，提高了煤炭回采率，經(jīng)濟(jì)效益明顯，且在回采過程中未發(fā)生由于煤柱寬度留設(shè)不合理而引發(fā)的安全事故。

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(2018?12?12)

余 波(1982—)，男，四川人，工程師，主要從事采煤工藝及防治水方面的技術(shù)與管理工作，Email:47713675@qq.com。