特厚煤層綜放工作面區段煤柱合理寬度優化研究

王治文,白雪文,王常興,任云峰,劉一揚

(1.山西煤炭進出口集團左云韓家洼煤業有限公司,山西 左云 037199;2.山西煤炭進出口集團科學技術研究院有限公司,太原 030032;3.太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室,太原 030024)

留設煤柱一直是主要的護巷手段[1]。確定合理的區段煤柱留設寬度,不僅可以充分發揮煤柱支撐頂板的作用,還能實現隔離采空區有害氣體，防止積水涌入工作面,防止風流漏入采空區的目的，且可節約煤炭資源,提高礦井經濟效益[2-4]。而對于特厚煤層,煤柱寬度的不合理則會導致煤炭資源的大量浪費及巷道維護困難,嚴重影響安全生產[5]。目前,在合理煤柱留設寬度理論計算的研究方面,眾多學者建立了不同的力學模型,并據模型給出了多種煤柱寬度的計算方法[6-8]。同時,針對不同地質條件、不同開采工藝的工作面區段煤柱寬度的確定,數值模擬方法得到了廣泛應用,也使得煤柱寬度的研究更為多樣化與便捷化[9-11]。上述豐富有益的研究有效地解決了工程問題,指導了實際生產。本文以韓家洼煤礦22號煤層為研究背景,根據煤層回采過程中出現的側向支承壓力對鄰近工作面巷道影響較弱,且圍巖變形量較小等現象,可知目前所留煤柱完全能夠滿足回采需要,但寬度過大,造成礦井成本的提高及資源的浪費,因此,需對煤柱寬度進行合理優化。

1 礦井地質條件概況

韓家洼煤礦位于大同煤田石炭-二疊紀煤田中南部,總體形態為單斜構造,傾角2°～6°,井田內共有6條對開采影響不大的斷層,未發現巖漿巖侵入體,井田構造復雜程度為簡單。井田內可采煤層共4層:16-2號煤層,19號煤層,22號煤層及25號煤層。現主要開采22號煤層，22號煤層全區可采,厚度10.35～15.82 m,平均11.78 m,含2～5層夾矸,結構較復雜,屬穩定煤層。22號煤層以基本頂為主,全井田均有分布,巖性為砂礫巖及粗細砂巖,穩性定好,底板巖性主要為砂質泥巖、泥巖。偽頂及直接頂不發育。

礦井首先開采東部各盤區工作面,留設煤柱凈寬度為30 m,經實際開采觀測,該尺寸條件下,工作面回采過程中形成的側向支承壓力對鄰近工作面巷道影響弱,整體圍巖變形量較小。因此,可進一步優化22號煤層留設區段煤柱的寬度,以提高礦井資源回收率,降低成本,節約煤炭資源。

現以位于井田西北部的22402工作面為主要研究對象,確定22號煤層剩余工作面間的區段煤柱尺寸。22402工作面北鄰22401工作面采空區,東為西盤區大巷保護煤柱,煤層巷道均沿底板掘進,所分析研究的煤柱位于22401采空區與22402回風順槽之間,工作面布置及煤柱位置如圖1所示。井田西北部,22402工作面附近的ZK4鉆孔柱狀圖如圖2所示。

圖1 工作面布置及煤柱位置圖Fig.1 Layout of working face and coal pillars

圖2 ZK4鉆孔柱狀圖Fig.2 ZK4 borehole histogram

2 區段煤柱合理寬度理論計算

護巷煤柱一側為22401工作面采空區,另一側為22402回風順槽,煤柱承載了數倍于原巖應力的載荷,其所受支承壓力分布如圖3所示。

圖3 煤柱支承壓力分布Fig.3 Coal pillar abutment pressure distribution

圖3中,煤柱采空區側及巷道側邊緣在支承壓力的作用下發生破碎,應力向煤柱深部轉移,且煤柱承載能力隨著不斷遠離煤柱邊緣而明顯增長,直至承載能力與支承壓力達到極限平衡,煤柱趨于穩定。煤柱由邊緣向內部形成了破裂區Ⅰ、塑性區Ⅱ以及彈性區Ⅲ。其中,破裂區與塑性區可以統稱為極限平衡區[6]。

2.1 煤柱中部彈性區寬度計算

為保持煤柱穩定,需要在煤柱中部留有一定寬度的彈性區,以保證煤柱具有一定的承載能力。由于煤柱兩邊分別為巷道及采空區,所形成的支承壓力大小與影響范圍存在差異,故煤柱中部彈性區Lt可按式(1),分為兩部分分別計算：

Lt=L1+L2.

(1)

式中:L1為采空區側彈性區寬度,m;L2為巷道側彈性區寬度,m。

運用廣義米賽斯準則可以求出采空區側彈性區寬度L1為[6]

(2)

巷道側彈性區寬度L2為[6]

(3)

式中:η為側壓系數,η=μ/(1-μ),根據實測煤體泊松比μ為0.27,計算得到η為0.37;γ為覆巖平均容重,取為25 kN/m3;hms為埋深,取為200 m,則原巖應力γhms為5 MPa;h1為煤層厚度,取為11.78 m;h2為巷道高度,取為3.2 m;k1為采空區側煤體開采達到充分采動狀態時的側向應力集中系數,一般為2.5～3.0,較危險情況取3.0;k2為巷道側側向應力集中系數,一般為2.0～2.5,較危險情況取2.5;c為煤層內聚力,取為2.21 MPa;φ為煤層內摩擦角,取為34.14°，這里

代入上述具體數值,可以求出韓家洼煤礦區段煤柱中部彈性區寬度至少應大于4.89 m,以維持煤柱具有一定的承載能力,防止其長期處于塑性狀態而被破壞。

2.2 煤柱邊緣極限平衡區寬度計算

采空區與巷道各自于煤柱兩側邊緣形成了范圍大小不同的極限平衡區,故煤柱兩側邊緣的極限平衡區寬度Lp可由式(4)表示：

Lp=L3+L4.

(4)

式中:L3為采空區側極限平衡區寬度,m;L4為巷道側極限平衡區寬度,m。

運用極限平衡理論,可以求出煤柱采空區側的極限平衡區寬度L3為[11]

(5)

煤柱巷道側的極限平衡寬度L4為

(6)

式中:p為煤柱兩幫所受側向支護阻力,考慮危險情況,取為0[11]。

代入上述具體數值,可以求出煤柱兩幫極限平衡區寬度為6.91 m。若煤柱寬度恰為6.91 m,則煤柱兩側應力峰值恰好疊加,中央無彈性區,煤柱穩定性差。

綜上所述,合理的區段煤柱寬度L可以表示為式(7)：

L=Lt+Lp.

(7)

則為使煤柱安全穩定,保持一定的承載能力,合理區段煤柱寬度L至少應當為11.8 m。

3 區段煤柱合理寬度數值模擬分析

3.1 模型建立

為最終確定韓家洼煤礦合理區段煤柱的留設寬度,結合理論計算結果,運用FLAC3D軟件進行模擬分析,根據礦井地質條件,建立如圖4所示的數值分析模型。此次模擬提出煤柱寬度分別為9 m、12 m、15 m共三種留設方案,通過分析煤柱的穩定性等特征,確定并驗證煤柱寬度的合理性。

圖4 計算模型Fig.4 Calculation model

模型尺寸為:長×寬×高=406 m×100 m×80 m。模型煤柱的左側為22401工作面,右側為22402工作面,模型左右表面及前后表面為固定邊界,z軸方向下表面固定,上表面為應力邊界。22401工作面埋深約為200 m,則根據模型高度,可以得出上表面施加的垂直應力應為3.75 MPa。模擬過程中,先開挖22401工作面,再開挖22402工作面。模擬各巖層物理力學參數如表1所示。

表1 數值計算模型中巖石力學參數Table 1 Rock mechanics parameters in numerical calculation model

3.2 計算結果分析

當22402工作面推進40 m時,3種不同煤柱留設寬度超前工作面5 m處的圍巖屈服破壞特征如圖5所示。

圖5 超前工作面5 m圍巖屈服破壞特征Fig.5 Yield failure of surrounding rock at 5 m ahead of working face

由圖5分析可知,不同寬度的區段煤柱的塑性區范圍存在一定差異。當煤柱寬度為9 m時,塑性區范圍完全貫通煤柱,中部無彈性區,煤柱破壞,穩定性較差,無法長時間支撐頂板,巷道維護困難;當煤柱寬度為12 m時,采空區側塑性區范圍較大,破壞深度達到約7.5 m,巷道側塑性區范圍較小,破壞深度達到1.5 m,煤柱中部彈性區寬度約為3 m,煤柱穩定性較好,能夠維持巷道穩定;當煤柱寬度為15 m時,煤柱破壞范圍進一步減小,采空區側破壞深度為6.5 m,巷道側破壞深度為1.5 m,中部彈性區寬度7 m,此時彈性區范圍較大,煤柱穩定性良好。但是,留15 m煤柱會造成煤炭資源的損失,而留設12 m煤柱一定程度上也可以維護巷道穩定,充分發揮煤柱的支撐作用。

超前工作面5 m,提取巷道高度一半位置處不同寬度煤柱的垂直應力曲線如圖6所示。

圖6 超前5 m不同煤柱寬度垂直應力分布Fig.6 Vertical stress distribution with different coal pillar widths 5m ahead of working face

分析圖6可知,不同煤柱寬度所受垂直應力總體上呈現為馬鞍形,在采空區側與巷道側分別存在兩個峰值,煤柱中部區域應力較低。三種煤柱寬度條件下,采空區側峰值點距煤幫距離較為接近,為1.6～2.0 m之間,峰值大小亦較為接近,約為11 MPa。巷道側峰值點距離煤幫距離大致在1.5～1.9 m范圍之間,較為接近。而巷道側峰值大小則存在明顯不同：當煤柱寬度為9 m時,垂直應力峰值為15.5 MPa;煤柱寬度為12 m時,峰值為14.3 MPa;煤柱寬度為15 m時,峰值為12.8 MPa。同時,在煤柱應力降低的中部區域,隨著煤柱寬度的逐漸增大,其所受垂直應力亦在降低。由此分析可知,煤柱寬度越大,應力集中程度越弱,煤柱整體所受垂直應力減小,煤柱穩定性增加。

綜上所述,煤柱寬度為9 m時,塑性破壞貫通煤柱兩側,且其所受垂直應力過大,煤柱穩定性差,無法有效支撐頂板,導致巷道維護困難;而當煤柱寬度為15 m時,中部彈性區范圍較大,承受的垂直應力較低,但煤柱寬度過寬,造成煤炭資源的浪費。因此,煤柱留設寬度選取為12 m,即可保證煤柱相對穩定,具有一定的支撐能力,在回采過程中逐漸破壞,不發生突變失穩,維護巷道穩定,也盡可能的節約了煤炭資源,提高了礦井經濟效益。

4 實際應用分析

根據理論計算與數值模擬分析,確定出韓家洼煤礦合理區段煤柱寬度為12 m,并在現場進行了工程應用。為了解巷道圍巖變形規律,證實留設12 m寬度煤柱的合理性,在距工作面60 m處的22402回風順槽頂底板及兩幫,運用“十”字交叉法觀測巷道表面位移。回風順槽頂底板及兩幫移近量變化曲線如圖7所示。

由圖7可知,隨著工作面的推進,其距測點的距離越來越近,巷道的頂底板及兩幫移近量不斷增大。其中,頂底板移近量最大值為117 mm,兩幫移近量最大值為215 mm。在觀測初期,測點處巷道頂底板移近量較小,增加緩慢,當工作面推進至距測點48 m時,頂底板開始出現明顯變形,移近量增加幅度增大。而巷道兩幫則自觀測開始就有較明顯的相對移近,當工作面推進至距測點23 m時,頂底板移近量增大明顯。

圖7 回風順槽頂底板及兩幫移近量變化曲線Fig.7 Roof-to-floor and two-side convergence curves in return-air gateway

通過上述現場觀測,22402回風順槽頂底板及兩幫移近量整體上處于可控范圍內,巷道較為穩定,證實了區段煤柱寬度留設為12 m是合理安全的。

5 結論

1)考慮采空區及巷道所形成的側向支承壓力對煤柱影響的差異,運用理論計算求出煤柱中部彈性區臨界寬度為4.89 m,煤柱兩側邊緣極限平衡區寬度共為6.91 m,則合理區段煤柱寬度在11.8 m左右較為合適。

2)超前工作面5 m時,屈服破壞貫穿9 m寬的煤柱,15 m煤柱中部彈性區寬度過大。確定了12 m為合理留設寬度。不同寬度的煤柱所受垂直應力呈馬鞍形,且隨著寬度的增加,其所受垂直應力減小。

3)根據現場觀測得到的巷道頂底板及兩幫移近量曲線,頂底板移近量最大值為117 mm,兩幫移近量最大值為215 mm,處于可控范圍內，實證了留設12 m區段煤柱是合理可行的。