騰暉煤礦護巷煤柱合理留設尺寸研究*

李從盼,張大明,李 剛

(1.霍州煤電集團河津騰暉煤業(yè)有限責任公司,山西 臨汾 031400;2.遼寧工程技術大學 礦業(yè)學院,遼寧 阜新 123000)

煤礦地下開采活動中,巷道的穩(wěn)定性對于保證礦井生產(chǎn)和安全開采至關重要。為了盡可能地提高采區(qū)回采率和保護大巷穩(wěn)定性,大巷護巷煤柱應留設合理的寬度。通過對護巷煤柱留設尺寸國內(nèi)外研究文獻檢索可知:第一種方法為理論計算法,但計算的煤柱尺寸往往具有一定的安全系數(shù),煤柱留設過大[1-2];第二種方法為相似模擬法,但相似材料的配比問題,不能夠完全真實的代表煤巖層,因此該方法只適用于獲取一定的礦壓規(guī)律,而對于留設具體合理煤柱尺寸適用性較差;第三種方法為數(shù)值模擬方法,該技術在巖土工程領域成功解決了許多重大工程問題,為工程人員分析巖體的破壞機理提供了很好的可視化手段[3]。

騰暉煤礦是整合礦井,煤炭資源緊缺,因此,合理的大巷護巷煤柱尺寸對于提高巷道穩(wěn)定性和煤炭資源回收率具有重要的意義。

1 礦井地質條件概況

霍州煤電集團河津騰暉煤業(yè)有限責任公司是兼并重組礦井,生產(chǎn)能力1.2 Mt/a。目前,礦井在一采區(qū)進行回采,按照礦井開采接續(xù)計劃,2-105采煤工作面預計2018年12月進入末采階段。2-105工作面布置圖見圖1。

圖1 2-105工作面布置圖Fig.1 2-105 working face diagram

2-105綜放工作面賦存平均深度493 m,開采2號煤層,煤層平均厚度5.2 m,平均傾角2°,工作面斜長180 m,推進長度765 m,采用兩進一回的通風方式,煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor of coal seam

工作面回采至停采線時,工作面超前采動效應將對采區(qū)材料大巷、皮帶大巷、回風大巷的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,采動應力將導致大巷變形失穩(wěn)。為了確保各條大巷的穩(wěn)定性,2-105工作面停采位置與大巷間必須留有一定寬度的煤柱,煤柱留設尺寸與采動應力影響程度、煤柱強度密切相關[4-5]。騰暉煤礦之前沒有對護巷煤柱合理留設尺寸進行過研究,只是采用經(jīng)驗類比法留設煤柱尺寸,缺乏確定護巷煤柱合理留設尺寸的具體依據(jù)和研究基礎,造成護巷煤柱留設尺寸的可信度不高。

2 極限平衡理論計算分析

2.1 工作面煤柱超前支承壓力影響距離

在工作面回采過程中,從煤柱邊緣到深部,會出現(xiàn)破壞區(qū)(塑性區(qū)內(nèi)應力低于原巖應力的區(qū)域)、塑性區(qū)及彈性區(qū),各區(qū)域應力分布見圖2。

R1-破壞區(qū)范圍;R2-塑性區(qū)范圍;R3-彈性區(qū)范圍;K-應力集中系數(shù);γ-覆巖容重;h-煤層埋深圖2 工作面煤柱的應力分布Fig.2 Stress distribution of coal pillars on the working face

由圖2可知,當工作面回采至煤柱寬度減小到R3時,工作面的超前支承壓力已開始在采區(qū)大巷內(nèi)產(chǎn)生較為明顯的影響,即前面所提到的應力升高階段;當工作面剩余寬度減小至R2時,煤柱內(nèi)應力達到最大值,即將處于塑性變形階段;而當工作面煤柱剩余寬度不足破壞區(qū)寬度R1時,此時由于煤體發(fā)生破壞已完全喪失承載能力,壓力已轉移到巷道另一側煤體。

2.2 確定留設合理煤柱尺寸

根據(jù)極限平衡理論,采動影響工作面前方煤柱的塑性區(qū)寬度(即塑性區(qū)位置R2和工作面超前支承壓力的影響距離R3)為[6]：

(1)

(2)

式中:M為工作面采高,5.2 m;A為側壓力系數(shù),取A=0.35;K為應力集中系數(shù),取K=2.31;Kd為動壓系數(shù),取Kd=1.86;φ為煤體內(nèi)摩擦角,25.2°;c為煤體內(nèi)聚力,2.19 MPa;β=1/A=2.7;f為煤層與頂?shù)装彘g的摩擦系數(shù),按煤層平均角度計算為0.118;γ為上覆巖層平均容重,25 kN/m3;h為埋深,按巷道最大埋深計算,取493 m。

將數(shù)值代入式(1)(2)可得R2=7.06 m,R3=56.27 m。末采階段的讓壓位置:R2實質就是工作面煤體即將發(fā)生塑性變形的寬度,由于煤柱應力會隨著工作面的回采不斷增大,其強度和承載能力則會逐漸降低,如果回采速度過快并且頂板恰好處于來壓時期,會使超前支承壓力峰值增大,導致采區(qū)大巷頂板下沉和片幫破壞現(xiàn)象加劇。因此,留設合理的煤柱尺寸為工作面超前支承壓力的影響距離R3。

因此,根據(jù)極限平衡理論,計算的留設合理煤柱尺寸不小于56.87 m。

3 煤柱合理尺寸數(shù)值模擬計算分析

3.1 模型建立

數(shù)值模擬計算采用目前比較廣泛使用的FLAC3D巖土工程三維分析軟件,按照2-105工作面地質剖面圖尺寸進行建模,由于主要研究2-105工作面推進方向停采煤柱應力和塑性區(qū)分布特征,工作面的側向應力和塑性區(qū)暫不考慮,建立三維模型的尺寸為150 m×30 m×31.4 m,共劃分175 500個單元,191 740個節(jié)點。三維模型的邊界條件取為:四周采用鉸支,底部采用固支,上部為自由邊界。初始垂直應力為自重應力,考慮工作面在地層中所處的深度493 m,地應力邊界條件根據(jù)實際測量結果進行施加,垂直應力12.5 MPa,由于此區(qū)構造應力影響不明顯,水平應力1.11 MPa,選用Mohr-Coulomb本構模型。2-105工作面煤巖層物理力學參數(shù)均按實驗室煤巖樣測試結果和工程類比對模型進行賦值,模擬煤巖物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模擬煤巖物理力學參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of numerical simulation

簡化模型后,建立停采保護煤柱數(shù)值計算模型,如圖3所示。模型X軸方向為煤層走向,Y軸方向為煤層傾向。模型X軸方向邊界煤柱寬30 m,Y軸方向邊界煤柱寬4 m,模型初始應力平衡后,先開挖2-105回風巷道寬5 m,高3.5 m,然后布置錨桿(索);待圍巖穩(wěn)定后再開挖2-105工作面,分別模擬留設60 m、50 m、45 m停采保護煤柱尺寸時對巷道穩(wěn)定性的影響。

圖3 停采保護煤柱模型Fig.3 Protective coal pillars model of end-mining

3.2 結果分析

分別選取保護煤柱寬度60 m、50 m、45 m條件下沿工作面推進方向煤柱垂直應力和塑性區(qū)分布圖進行分析。

3.2.1垂直應力分布

不同尺寸保護煤柱垂直應力分布云圖見圖4。當留設保護煤柱寬度為60 m時,煤柱內(nèi)集中垂直應力非對稱拱形分布形態(tài)較為穩(wěn)定。當留設保護煤柱寬度為50 m時,煤柱內(nèi)集中垂直應力逐漸向穩(wěn)定非對稱拱形分布形態(tài)過渡,巷道幫壁附近煤柱集中應力范圍進一步縮小,煤柱趨于穩(wěn)定。當留設保護煤柱寬度為45 m時,煤柱內(nèi)集中垂直應力總體向采空區(qū)側偏移加劇,集中垂直應力非對稱拱形分布形態(tài)初步形成,巷道與采空區(qū)之間煤柱垂直應力升高,且范圍進一步縮小,煤柱穩(wěn)定性受到一定的影響,表明留設45 m保護煤柱時已不利于對巷道的保護。

4-a 60 m保護煤柱

4-b 50 m保護煤柱

3.2.2煤柱破壞狀態(tài)分布

不同尺寸保護煤柱塑性破壞區(qū)隨煤柱寬度變化具有顯著差異,其塑性破壞分布圖見圖5。當留設保護煤柱寬度為60 m時,煤柱兩側的塑性區(qū)呈現(xiàn)一定的剪切破壞和拉伸破壞,如圖5-a所示,煤柱中部存在較大面積未發(fā)生破壞區(qū)域,煤柱穩(wěn)定性良好。當留設保護煤柱寬度為50 m時,如圖5-b所示,煤柱中部未破壞區(qū)域范圍進一步縮小,煤柱穩(wěn)定性較好。當留設保護煤柱寬度為45 m時,煤柱承載剪切和拉伸應力即將貫通整個煤柱,如圖5-c所示,煤柱兩側產(chǎn)生大面積剪破壞和拉破壞,煤柱即將失穩(wěn)。

5-a 60 m保護煤柱

5-b 50 m保護煤柱

5-c 45 m保護煤柱圖5 不同尺寸保護煤柱塑性破壞分布圖Fig.5 Plastic failure distribution of protective coal pillars of different sizes

綜上所述,如果一采區(qū)回風大巷保護煤柱尺寸小于45 m時,受2-105工作面采動影響煤柱容易發(fā)生失穩(wěn),會威脅到采區(qū)回風大巷的圍巖穩(wěn)定,從數(shù)值模擬角度建議回風大巷保護煤柱留設50 m,但考慮一定的安全系數(shù),綜合理論計算和數(shù)值模擬結果,建議2-105工作面停采保護煤柱留設寬度為57 m。

4 現(xiàn)場應用效果

為了監(jiān)測護巷煤柱受回采超前應力的采動影響,在一采區(qū)回風大巷靠工作面?zhèn)炔贾?個監(jiān)測斷面,見圖6,每個監(jiān)測斷面安裝2組鉆孔圍巖應力計,孔深9 m,2個監(jiān)測斷面間距20 m,第一組距2-1052巷50 m,每個鉆孔應力計初始值均在4.0 MPa左右。

圖6 監(jiān)測斷面布置示意圖Fig.6 Monitoring section layout

實踐結果表明,隨著2-105工作面向前推進,當工作面距一采區(qū)回風大巷60 m時,鉆孔應力計壓力表的數(shù)值開始增大,一采區(qū)回風大巷開始產(chǎn)生變形,該現(xiàn)象表明留設60 m的回風大巷保護煤柱最佳,但為了盡可能多回收煤炭,對一采區(qū)回風大巷及右側相鄰巷道都采取了補強措施,最終回風大巷保護煤柱留設寬度50 m。

為了監(jiān)測2-105工作面末采期間對一采區(qū)回風大巷的影響,平均布置了4個監(jiān)測斷面對回風大巷的圍巖移近量進行了監(jiān)測,2019年3月15日開始進入末采階段,2019年5月7日末采工作結束,監(jiān)測結果如表3所示。4個監(jiān)測斷面中兩幫最大移近量為267 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?95 mm,均滿足回風大巷的使用要求,最終實現(xiàn)了2-105工作面的安全回采與回風大巷的保護。

表3 回風大巷監(jiān)測斷面巷道圍巖移近量測量結果Table 3 Convergence of surrounding rocks at monitoring section in retain airway 單位：mm

5 結論

1)利用數(shù)值模擬的方法研究了騰暉煤礦一采區(qū)2-105綜采工作面超前支承壓力對大巷穩(wěn)定性的影響,分別模擬了60 m、50 m和45 m護巷煤柱的垂直應力分布特征和保護煤柱塑性破壞分布特征,結果表明一采區(qū)回風大巷保護煤柱尺寸應不小于45 m。

2)根據(jù)極限平衡理論對騰暉煤礦一采區(qū)回風大巷保護煤柱尺寸進行了計算,得出留設合理煤柱尺寸不小于56.87 m。

3)通過監(jiān)測護巷煤柱受回采超前應力的采動影響,發(fā)現(xiàn)當工作面距一采區(qū)回風大巷60 m時,鉆孔應力計壓力表的數(shù)值開始增大,一采區(qū)回風大巷開始產(chǎn)生變形,表明留設57 m煤柱的建議與現(xiàn)場監(jiān)測結果基本一致。