峁底煤礦10104工作面區段煤柱合理尺寸研究

趙志龍

(1.華潤煤業(集團)有限公司,太原 030024;2.太原華潤煤業有限公司 原相煤礦,山西 古交 030200)

煤柱作為保證煤礦安全開采的重要組成部分,在煤礦生產中起著支撐上覆巖體、隔離采空區和維護回采巷道的穩定性等重要作用。近些年來,隨著我國煤炭技術人員的深入研究,逐漸發明了無煤柱開采工藝(如柔模混凝土沿空留巷技術以及切頂卸壓沿空留巷技術等),并在一部分礦井進行了實踐。盡管無煤柱開采技術有著很多的優勢,但也存在著一些缺陷,如沿空所留巷道底臌嚴重、切頂卸壓留巷對頂板硬度以及完整性要求較高等。由于我國的煤礦地質條件千差萬別,因此，留設煤柱保護回采巷道還是現階段我國絕大部分煤礦采用的主要方式[1-6]。

本文針對峁底煤礦的實際生產條件,采用理論計算與數值模擬相結合的手段,對于峁底煤礦東翼10104工作面的煤柱尺寸進行計算,并為本礦井其他工作面留設煤柱提供參考。

1 工程概況

山西興縣華潤聯盛峁底煤礦采用斜井開拓,10104工作面煤層賦存于山西組中下部,下距K7砂巖4.80 m。煤層厚度為2.91～3.19 m,平均2.55 m,為井田穩定可采煤層,井田內煤層厚度變化不大。煤層結構為簡單—中等。煤層頂板主要為泥巖和細砂巖,時有炭質泥巖偽頂,厚度9.60～15.60 m,平均13.12 m。底板為泥巖,厚度為2.95～6.65 m,平均4.92 m。10104工作面埋深400 m左右,工作面長度155 m,工作面推進長度1 000 m,工作面回采巷道沿煤層底板掘進[7]。圖1為10104工作面布置圖。

圖1 10104工作面布置圖Fig.1 10104 working face layout

2 區段煤柱合理尺寸留設應遵循的原則

傳統壁式采煤體系中,一般將采區(盤區、帶區)劃分為若干區段,每個區段布置一個采煤工作面。為便于采煤工作面順槽巷道維護,使每個采煤工作面形成獨立生產系統,需在相鄰工作面鄰近順槽巷之間留設一定尺寸的煤柱,形成了區段煤柱[8]。

從形成和留設看,區段煤柱主要有以下三個作用：一是支撐作用,有效支撐頂板,防止頂板下沉或垮落;二是護巷作用,有效保護順槽巷道,形成采煤工作面獨立的生產系統;三是隔離作用,形成隔離帶,防止相鄰工作面或采空區積水、有害氣體涌入本工作面,或本工作面風漏進鄰近采空區。

因此,從區段煤柱的成因、作用以及應力分布規律角度,理論上研究區段煤柱合理尺寸應遵循以下原則。

1)實用性。煤柱尺寸必須滿足隔離和護巷作用,能夠有效地保護順槽巷道形成采面獨立的生產系統,能夠形成隔離帶防止和鄰近工作面或采空區有裂縫貫通,要求煤柱中部不破壞，留有“彈性核”。

2)安全性。煤柱必須起到支撐性作用,能夠有效支撐頂板，嚴防自身被壓垮,要求煤柱必須有一定強度。

3)資源節約。要求煤柱在滿足上述原則的基礎上,尺寸盡可能最小。

3 區段煤柱計算

3.1 用寬度條件計算區段煤柱尺寸

使區段煤柱能夠保持穩定條件:當煤柱的上、下側塑性區寬度為x0,x1時,煤體中央的彈性核寬度應大于等于煤柱高度h的2倍,煤柱的寬度B應滿足B≥x0+2h+x1。2h是經驗數據,應建立煤柱的力學模型分析彈性核的臨界寬度l1。由文獻[9]中公式計算區段煤柱的合理寬度B為:

B≥x0+l1+x1.

(1)

3.2 區段煤柱塑性變形區寬度確定

區段煤柱塑性變形區寬度計算力學模型如圖2所示。

x0，x1-區段煤柱上、下側塑性變形區寬度；σy -塑性區應力； τyx-頂底板分界面應力； K， K′-彈性核與頂底板界面下、上部塑性區與彈性核交界面上的應力集中系數；γ，H-上覆巖層的平均容重、煤層的埋深；px-支護設施等對煤壁沿x方向的約束力；τyx-剪切應力；兩側塑性區與彈性核交界面所受水平擠壓應力圖2 區段煤柱塑性變形區寬度計算力學模型Fig.2 Computational mechanics model of sectional coal pillar width of plastic deformation zone

由文獻[5]公式計算塑性區與頂底板分界面應力σy和τyx是:

(2)

(3)

式中：σy為塑性區應力，MPa；τyx為頂底板分界面應力，MPa；h為煤柱高度，m；C0為煤柱與頂底板分界面的粘結力，MPa；φ0為內摩擦角，°；px為支護設施等對煤壁沿x方向的約束力，MPa；λ為塑性區與彈性核區的側壓系數,取0.3。

由文獻[9]公式計算區段煤柱下、上側塑性區寬度x1,x0:

(4)

(5)

式中：x0，x1為區段煤柱上、下側塑性變形區寬度，m；K為頂底板界面下部塑性區與彈性核交界面上的應力集中系數，取2.5；K′為上部塑性區與彈性核交界面上的應力集中系數，取3.5；γ為上覆巖層的平均容重，kN/m3；H為煤層的埋深，m。

3.3 區段煤柱彈性核破壞臨界寬度確定

建立如圖3所示力學模型。

圖3 區段煤柱彈性核臨界破壞寬度計算力學模型Fig.3 Computational mechanical model of critical failure width of elastic core of section coal pillars

彈性核(體)應力分量:

(6)

(7)

(8)

區段煤柱彈性核破壞的臨界寬度:

(9)

式中:C為煤體粘聚力,MPa。

3.4 區段煤柱寬度確定

公式(1)確定的煤柱尺寸存在一定的局限性,只是單方面考慮了開采支承壓力這一靜態因素對煤柱的寬度和穩定性的影響。沒有全面考慮巷道掘進即開采時所受的擾動和實際動態因素對煤柱的影響。因此,基于此思想對煤柱計算公式進行修正。煤礦在井下開采時煤柱兩側由于受采動影響會形成一定寬度的松動圈,松動圈會使煤柱失去側向約束力,降低煤柱的強度及穩定性,因此，確定煤柱尺寸時必須引進掘進影響因子α。

采煤方法及工藝的不同也會對煤柱產生不同的影響,所以確定煤柱的尺寸時必須引進開采擾動因子d的影響。

綜合以上,將公式(1)修正為:

B≥l1+αd(x1+x0) .

(10)

式中:d為開采擾動影響因子,一般為1.5～3.0,取1.5;α為掘進影響因子,取1.32。

根據峁底煤礦煤、巖層參數，h取3.1 m,C取1.86 MPa,φ取18°,C0取1.5 MPa,φ0取24°,γ取25 kN/m3,H取600 m,λ取0.3,K取2.5,K′取3.5。把數值代入式(4)、式(5),計算得:x0=6.298 m,x1=6.411 m,l1=3.972 m。

把以上值代入式(9),計算得:B≥28.92 m。

綜上,實際留設時,煤柱尺寸應取30 m。

4 基于數值模擬的煤柱尺寸驗證

為確定峁底煤礦回采工作面區段煤柱的合理寬度,以10104工作面為工程背景,建立數值計算模型,根據煤層地質條件及現場實際情況,共設計了3個計算模型,工作面區段煤柱的寬度分別為20 m，25 m和30 m,分別論證是否滿足強度及穩定性要求,進而確定回采工作面區段煤柱的合理寬度。

圖4 FLAC3D生成模型Fig.4 FLAC3Dgenerative model

圖5、圖6、圖7分別為三種不同寬度的區段煤柱在同一測點采動影響前后的塑性區云圖。

圖5 20 m煤柱塑性區云圖Fig.5 Cloud map of plastic zone with 20-meter coal pillar

圖6 25 m煤柱塑性區云圖Fig.6 Cloud map of plastic zone with 25-meter coal pillar

圖7 30 m煤柱塑性區云圖Fig.7 Cloud map of plastic zone with 30-meter coal pillar

由圖5可以看出,當區段煤柱寬度為20 m時,受10104工作面采動影響前(5(a)),10105工作面運輸順槽左幫破壞深度均為3 m,右幫破壞深度均為3.5 m；受采動影響后(5(b)),10104工作面煤柱側破壞深度由3.5 m延伸到9 m,煤柱彈性區只剩2.5 m,小于煤柱高度的兩倍(6.2 m),頂板和巷道塑性區破壞很大，且煤柱上方的塑性破壞區發生貫通現象,煤柱上方巖層發生嚴重破壞,頂板極易發生離層,下區段工作面底板的塑性區破壞深度大約為9 m,底板破壞嚴重。

由圖6可以看出,當煤柱寬度為25 m時,受采動影響前(6(a)),左右幫破壞深度均為2.5 m；受采動影響后(6(b)),煤柱側破壞深度由2.5 m延伸到7.8 m,煤柱彈性區只剩4 m,小于煤柱高度的兩倍(6.2 m),頂板和巷道塑性區破壞很大，且煤柱上方的塑性破壞區發生貫通現象,表示煤柱上方巖層發生嚴重破壞,頂板極易發生離層,下區段工作面底板的塑性區破壞深度大約為7 m,底板破壞較為嚴重。

由圖7可以看出,當煤柱寬度為30 m時,受采動影響前(7(a)),10104運輸順槽左右幫破壞深度均為2 m；受采動影響后(7(b)),煤柱側破壞深度由2 m延伸到3.5 m,煤柱彈性區仍有12 m,大于煤柱高度的兩倍(6.2 m),頂板和巷道塑性區破壞較小，且煤柱上方巖層破壞區未發生貫通現象,上覆巖層所受采動影響較小,發生整體離層現象可能性較小,下區段工作面底板的塑性區破壞深度大約為4.5 m,底板破壞相對較小。

由上述可知,當煤柱寬度為20 m，25 m時煤柱與巷道圍巖處于失穩狀態,煤柱寬度為30 m時煤柱與巷道圍巖均處于穩定狀態。

5 現場實測

在10104工作面軌道順槽距巷道口127 m處布置測站,采用十字布點法布置測點,分別在頂底板中部和兩幫中部垂直巷道壁面處鉆直徑30 mm、深度400 mm的鉆孔,并將直徑32 mm、長400 mm的木樁打入孔內。測站位置如圖8所示。測點布置如圖9所示。圖10為巷道圍巖表面位移移近量與時間的變形曲線。

圖8 巷道表面位移測站位置Fig.8 Observation station position of surface displacement

圖9 巷道表面位移測點布置Fig.9 Observation station layout of surface displacement

(a) 頂底板移近量

(b) 兩幫移近量圖10 巷道圍巖表面位移移近量與時間的變形曲線Fig.10 Deformation curve of convergence and time of surface displacement

由現場實測可得，隨著工作面推進,巷道頂板和兩幫的位移量增加,且以頂板下沉為主。其中，頂底板的最大移近量為190 mm,兩幫的最大移近量為230 mm。在距工作面50 m時,頂底板開始發生變形；當距工作面距離30 m時，變形速度增加,且最大變形速度為15 mm/d。當距工作面53 m時,兩幫開始發生變形；當距工作面距離32 m時，變形速度增加,最大變形速度為20 mm/d。觀測期間,煤柱側巷幫局部破碎,距回風回采巷道15 m,距巷道底板1 m處，片幫深度達600 mm，寬750 mm,靠近煤柱側頂板局部破碎、剝落。

6 結論

1)結合理論計算與數值模擬結果,10104工作面合理的煤柱寬度尺寸為30 m。

2)通過對其回采過程中的巷道位移變形量進行監測,得出巷道頂底板最大移近量為190 mm,兩幫最大移近量為230 mm。

3)現場監測結果表明，本文所留設煤柱是合理的。