厚煤層工作面區段煤柱留設尺寸的合理確定

馮凡丁

(太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024)

區段煤柱的主要作用是隔離上區段采空區和維護該區段回采巷道穩定,隔離采空區并且防止周邊工作面的積水瓦斯進入本工作面[1]。若區段煤柱留設得過寬,雖然安全性得以保證,但會造成煤炭資源的嚴重浪費;若區段煤柱留設過窄,雖然可以提高回采率,但是會導致煤柱附近形成一段塑性區域,使煤柱缺少必要的承載能力,穩定性得不到保證[2-3]。所以區段煤柱尺寸的合理確定,既可以提高巷道圍巖的穩定性,又能夠最大限度地開發煤炭資源。

國內外學者對于區段煤柱進行過大量研究,歸結起來主要有如下幾種方法:現場實測及統計推理;利用礦壓規律歸納總結經驗公式;對煤柱支承壓力分布的理論分析;通過數值模擬尋求煤柱合理尺寸。國外的研究情況為:Gaddy等人提出了Holland-Gaddy煤柱強度公式;Poulsen提出煤柱經驗公式,證實煤柱強度與其寬度和高度的比值相關;Hsiung通過有限元法分析出煤柱與頂板的關系;科諾年科和阿爾拉麥夫提出了極限平衡理論。國內研究情況為:謝和平等人通過理論試驗分析,提出煤柱的破壞過程是非線性的;余忠林等人分析出了大采高工作面窄煤柱沿空掘巷條件下的煤柱分布規律;柏建彪等人通過FLAC3D數值模擬分析出了沿空掘巷后巷道圍巖的變形破壞規律及合理尺寸等[4-5]。

由此可見，區段煤柱尺寸的留設與多方面因素有關,包括煤層埋深、頂底板穩定性、采動影響、圍巖物理力學參數、采煤方法和巷道支護形式等。單獨采用某一種研究方法并不能夠全面地考慮各種因素,因此本文擬結合雄山煤礦15303工作面的具體情況,利用極限平衡理論、輔助面積理論對該工作面區段煤柱的合理尺寸進行研究[6-7]。

1 工程背景

雄山煤礦井田全區可進行開采的煤層為3號、9號和15號,目前開采煤層為15號。15號煤層厚度1.55～4.86 m,平均3.87 m,視密度1.41 t/m3,結構簡單,煤層大多數夾矸情況為1層,偶爾不夾或夾2層,屬全區穩定可采煤層。直接頂板為泥巖或石灰巖,底板大多為泥巖和砂質泥巖。雄山煤礦15303工作面埋藏深度為235.9 m,預測回采工作面相對瓦斯涌出量4.34 m3/t,掘進工作面絕對瓦斯涌出量1.45 m3/min,為低瓦斯礦井。15303工作面長度為150 m,煤層傾角為3°～5°。15303回采工作面布置如圖1所示。

圖1 15303回采工作面布置圖Fig.1 Layout of 15303 working face

區段煤柱的布置方式可以分為留較大煤柱護巷、沿空掘巷(完全沿空掘巷和留窄小煤柱沿空掘巷)和沿空留巷。雖然沿空掘巷和沿空留巷可以最大限度地提高資源回采率,但是這兩種布置方式會給巷道支護帶來很大困難。再結合雄山煤礦的現狀、開采條件、地質條件等情況,決定采用留較大煤柱護巷,在上方采空區和下區段回風平巷之間留一定尺寸的煤柱,使下區段的巷道可以錯開應力高峰區。

2 基于極限平衡理論確定煤柱尺寸

2.1 區段煤柱穩定的條件

當一側的煤層被采出后,原始圍巖的應力平衡狀態被打破,采空區上覆巖層重量會向周圍巷道及工作面進行轉移,使得周圍巖石的應力重新分布。當一側煤層采空后,周圍煤體的彈塑性區以及鉛直應力分布如圖2所示。

Ⅰ—破裂區;Ⅱ—塑性區;Ⅲ—彈性區;Ⅳ—原始應力區圖2 煤體的彈塑性區及鉛直應力分布Fig.2 Elastic-plastic zone and vertical stress distribution of coal body

在一側煤層采空后,尚未開采區域的煤體會因為采空區上覆巖層重量的轉移,從采空處邊緣到深部依次出現破裂區Ⅰ、塑性區Ⅱ(靠采空區一側應力低于原巖應力γH的部分稱為破裂區Ⅰ)、彈性區Ⅲ及原巖應力區Ⅳ。從圖2中可以看出,離采空區邊緣越遠,煤柱的承載能力越高。當巷道開挖或工作面進行回采時,巷道周邊的圍巖應力會因采動影響而重新分布,巷道兩側的煤體首先遭到破壞,并且延伸至彈性區邊界處。由于頂底板巖石的泊松比(μ)與煤層之間的粘聚力(C0)和內摩擦角(φ0)均小于煤體內部,所以隨著開采進行,煤體會從頂底板巖石中擠出,并且伴隨有剪應力(τyx)產生。在距離煤體邊緣一定的寬度內,煤柱的承載能力和支承壓力處于一種極限平衡狀態。

雄山煤礦15303工作面區段煤柱上側是15302工作面采空區,下側為15303工作面的區段回風平巷及回采工作面,區段煤柱此時會同時受到采空區和巷道兩處支承壓力的作用,各自形成兩個應力極限平衡區。當15303工作面進行回采時,因采動和頂板運動影響巷道周圍的圍巖應力再次重新分布。當煤柱處于臨界危險狀態時,兩側會產生寬度為x0和x1的塑形變形區(x0為巷道一側煤柱塑性區的寬度,x1為采空區一側煤柱塑性區寬度),在塑性變形區內煤柱的承載能力直線下降,為避免煤柱體兩側的塑性區貫通導致煤柱塌陷,在煤柱中央應該留有具有一定寬度的彈性核,該彈性核的寬度l一般不小于煤柱高度h的2倍。因此,為了煤柱的穩定,煤柱最小寬度b應為

b=x0+l+x1≥x0+2h+x1.

(1)

2.2 塑性區寬度的理論計算

2.2.1基本假設

為了較好地利用庫侖準則推導塑性區寬度,結合雄山煤礦15303工作面具體情況,提出以下假設:

1)煤柱是連續、均質、各向同性的彈性體;

2)塑性區被剪切力破壞,破壞面沿著煤層面;

3)煤柱只受上覆巖層重力影響,不考慮水平構造應力;

4)忽略煤體的體積力;

5)該煤層為近水平煤層,按煤層水平建立模型,不考慮煤層傾角的影響。

2.2.2基本方程

基于基本假設建立的煤柱支承壓力力學模型如圖3所示。

圖3 煤柱支承壓力力學模型Fig.3 Mechanical model of coal pillar abutment pressure

煤層埋深為H,m;上覆巖層容重為γ,kN/m3;彈性核與其交界面上的應力集中系數為k和k′;下區段工作面巷道塑性區與彈性核交界處煤柱的極限強度σymax=kγH,MPa;采空區巷道塑性區與彈性核交界處煤柱的極限強度σy′max=k′γH,MPa;巖石、支護設施等側向約束力為px,MPa;塑性區與彈性核區交界面的側壓系數為β。

以采空區作為研究對象,根據極限平衡條件,可列出如下3個方程:

(2)

當煤沿著煤層與頂底板交界面被擠出時,為保持應力極限平衡條件,得出如下兩個應力邊界條件,在x=x0+l處：

(3)

聯立式(2)和式(3)得:

(4)

設置構造函數進行求解(A為待定常數):

σy=u(x)v(x)+A.

(5)

最終求得:

(6)

同理可得:

(7)

2.3 區段煤柱尺寸的確定

雄山煤礦15號煤物理力學參數如表1所示。結合式(1)、式(6)、式(7)可得煤柱最小的寬度b=x0+l+x1≥4.37+2×3.87+4.68≥16.79 m。

表1 雄山煤礦15303工作面力學參數表Table 1 Mechanical parameters of Xiongshan Mine

3 基于輔助面積理論確定煤柱尺寸

輔助面積理論認為,煤柱會均勻地支撐起上覆巖層和兩側巷道寬度一半范圍的巖層。采用該理論計算煤柱尺寸時,用平面問題替代了空間問題,用均勻分布的煤柱載荷替代了復雜巖層,不考慮煤柱邊緣產生的應力集中以及因煤柱邊緣部分破壞導致的應力深部轉移等情況。該理論認為平均應力是判斷煤柱載荷的重要參數,目前為止是確定區段煤柱尺寸的最常見且簡單的一種方法。

σc為煤柱單軸抗壓強度,取13 MPa;a和b為常數(a=0.678,b=0.322);l為煤柱寬度,m；k為采動應力的集中系數,當σc≤25 MPa時,采動系數k取2.5;巷道寬度為d,取區段回風巷寬度4 m。區段煤柱設計時,要滿足安全系數F的要求,一般為1.3～2.0,這里取F=1.5。根據公式:

(8)

σ為煤柱強度。根據研究得,煤柱的強度與煤塊試樣的強度成正比,而且隨煤柱寬高比的增大而增加,可用經驗公式Obert-Dwvall/wang得出:

(9)

σp為煤柱平均應力。在假設煤柱載荷均勻分布的條件下,計算公式為:

(10)

p為煤柱支撐載荷。巷道開挖以后產生的載荷為:

p=(l+d)γH.

(11)

將各個參數代入式(8)—式(11)后,求解得:

1.08l2-13.3l-35.4=0.

(12)

所以，根據輔助面積理論,15303工作面區段巷道煤柱為l=14.56 m。

4 結論

1)采用極限平衡理論分析方法,結合雄山煤礦15303工作面的工程地質條件,計算出巷道一側煤柱塑性區的寬度x0為4.37 m,采空區一側煤柱塑性區寬度x1為4.68 m,彈性核寬度為2倍的煤柱高度7.74 m,即煤柱的最小寬度為16.79 m。

2)采用輔助面積理論分析方法,結合雄山煤礦15303工作面的工程地質條件,計算出區段煤柱為14.56 m。

3)區段煤柱理論計算的最大值為16.79 m,因此最終確定雄山煤礦15303工作面區段煤柱的合理寬度為17 m。該工作面煤柱尺寸的合理確定對其余工作面區段煤柱的留設具有借鑒意義。