中厚煤層區(qū)段煤柱合理留設(shè)寬度分析

劉寶玉,李國平,劉德鑫,李 培

(1.彬縣煤炭有限責(zé)任公司,陜西 咸陽 712000;2.陜西華彬雅店煤業(yè)有限公司,陜西 咸陽 713500)

0 引言

關(guān)于區(qū)段煤柱尺寸留設(shè)理論,各國的學(xué)者進行了很多的研究,但對煤柱寬度的合理程度至今沒有統(tǒng)定論[1-3]。回采巷道的護巷煤柱用于隔離采空區(qū)和維護巷道,其形狀一般設(shè)計為矩形或正方形。煤柱有能夠支撐頂板的作用,所以煤柱受到破壞后,對頂板巖層控制有比較大的影響。研究表明,煤柱的合理尺寸會影響回采巷道受動壓破壞的嚴重程度,是對回采巷道穩(wěn)定性有影響的主要因素[4-8]。

彬長礦區(qū)某礦井一采區(qū)1號煤層屬于中厚煤層,工作面巷道為三巷布置,相鄰工作面回采巷道之間留設(shè)20 m煤柱,在工作面回采過程中,因煤柱留設(shè)不合理導(dǎo)致巷道底板底鼓、頂板下沉、兩幫擠壓變形嚴重,影響了礦井的安全高效生產(chǎn)。基于此,探究中厚煤層工作面開采區(qū)段煤柱合理留設(shè)寬度,對保證礦井的安全高效生產(chǎn)和提高資源回收率具有重要意義。

1 工作面概況

礦井1號煤層綜采工作面位于一采區(qū)東翼,埋深約700 m,其上部為溝谷切割的塬梁地貌,工作面設(shè)計走向長度3 130 m,傾向220 m,煤層平均厚度3 m,工作面傾角1°～7°,地質(zhì)構(gòu)造簡單。工作面區(qū)段保護煤柱留設(shè)20 m,工作面的北側(cè)是實體煤,南側(cè)是采空區(qū),西側(cè)是3條下山,東側(cè)是采區(qū)邊界,工作面巷道斷面均是矩形,運輸順槽5.5 m×3 m(寬×高),回風(fēng)順槽和泄水巷4.2 m×2.8 m(寬×高)。工作面采用走向長壁綜合機械化開采,全部垮落法管理頂板。綜采工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置示意

工作面回風(fēng)順槽受一次采動影響,巷道頂板破碎下沉、底板底鼓,頂?shù)装逡平科骄_到1 m。兩幫變形嚴重、移近量平均達到0.6 m,且肩窩處受擠壓形成了網(wǎng)兜,部分段煤柱發(fā)生整體性破壞和偏移。

2 煤柱合理寬度理論計算

2.1 煤柱合理寬度確定原則

基于采空區(qū)側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律,巷道處于應(yīng)力降低區(qū),有利于巷道及煤柱的穩(wěn)定性。隨上區(qū)段工作面的回采及巷道掘進影響,巷道兩側(cè)均存在破碎區(qū),但如果煤柱均為破碎狀態(tài),則煤柱的穩(wěn)定性及承載能力降低,無法進行錨桿支護,巷道維護相當(dāng)困難。因此,煤柱內(nèi)應(yīng)存在穩(wěn)定區(qū)域。當(dāng)煤柱寬度較大時,隨著煤柱寬度的增加,巷道圍巖變形量減小,直至趨于穩(wěn)定之后,若再增加煤柱寬度,則煤柱寬度過大,會影響煤炭資源的回收率。基于巷道圍巖的穩(wěn)定性,應(yīng)采用寬度較小的煤柱,以提高煤炭采出率。

2.2 煤柱寬度計算分析

留設(shè)煤柱是煤礦中一直沿用的護巷方法,舊有的留設(shè)煤柱護巷方式是在上區(qū)段運輸平巷和下區(qū)段回風(fēng)平巷之間留設(shè)一定寬度煤柱,可以使下區(qū)段平巷避開固定支承壓力峰值區(qū)。煤柱(體)的承載能力,隨遠離煤體(煤柱)邊緣而明顯增長,在距煤體(煤柱)邊緣一定寬度內(nèi),存在著煤柱(體)的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態(tài),如圖2所示。

1-彈性應(yīng)力分布;2-彈塑性應(yīng)力分布;Ⅰ-破裂區(qū);Ⅱ-塑性區(qū);Ⅲ-彈性區(qū)應(yīng)力升高部分;Ⅳ-原始應(yīng)力區(qū)

運用巖體的極限平衡理論,塑性區(qū)的寬度即支承壓力峰值與煤壁的距離x1可由式(1)確定

(1)

式中,x1為上工作面開采后在側(cè)向煤體產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度,m;C為煤體黏聚力,取0.8 MPa;φ為煤體內(nèi)摩擦角,取21°,P為煤柱幫支護阻力,取0.15 MPa;K為應(yīng)力集中系數(shù),取1.4;γ是覆巖平均容重,取25 kN/m3;H為工作面埋藏深度,700 m;m為煤層厚度,3 m;f為煤層與頂?shù)装褰佑|面摩擦因數(shù),取0.3;ξ為應(yīng)力系數(shù),ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)。代入式中計算得x1=4.1 m,即塑性區(qū)寬度。

上部工作面開采后引起周圍煤體應(yīng)力集中,隨著煤體邊緣發(fā)生塑性變形和破壞,集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移,且在距離采空區(qū)邊緣一定距離處應(yīng)力值達到最大,考慮到峰值應(yīng)力對巷道和煤柱穩(wěn)定性產(chǎn)生了很大影響,為了確保煤柱以及巷道的穩(wěn)定,將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)的范圍,避開峰值應(yīng)力作用范圍。同時,煤柱需要隔離采空區(qū),煤柱寬度不能過小。為了保證煤柱和巷道的穩(wěn)定,區(qū)段煤柱的寬度必須滿足煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形區(qū)后,煤柱中部仍存在一定區(qū)域具有承載能力,即煤柱寬度符合式(2)式中,x1為上工作面開采后在側(cè)向煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度;x2為煤層厚度的煤柱安全系數(shù),取(x1+x3)的30%～60%;x3為錨桿的有效長度。根據(jù)護巷煤柱極限平衡理論和巷道應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度知護巷煤柱的寬度須滿足B≥x,x煤柱寬度按圖3計算。

圖3 煤柱寬度計算示意

B=x1+x2+x3

(2)

由上述計算可得,礦井工作面上區(qū)段工作面采空區(qū)應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度取4.1 m,錨桿有效長度按2 m計,計算得出x2=1.83～3.66 m。將其帶入式(2)中算出1號煤層工作面的x為7.9～9.8 m,即煤柱留設(shè)寬度為7.9～9.8 m。

3 煤柱寬度數(shù)值模擬研究

3.1 模擬方案

為研究區(qū)段煤柱留設(shè)的合理寬度,根據(jù)計算的煤柱理論尺寸建立煤柱寬度為8 m、10 m、15 m的FLAC3D數(shù)值模型,分析不同煤柱寬度下煤柱的應(yīng)力、位移特征[9-12]。通過在煤柱內(nèi)布置測點的方式對垂直應(yīng)力進行監(jiān)測,研究煤柱載荷分布和支撐能力,找出側(cè)向應(yīng)力對煤柱穩(wěn)定性造成的影響。在煤柱兩幫位置布置測點對兩幫水平位移量進行監(jiān)測,定量分析煤柱變形破壞特征。

3.2 模擬分析

開挖次序為初始地應(yīng)力計算→上區(qū)段運輸巷開挖→上區(qū)段工作面回采→下區(qū)段回風(fēng)巷開挖→下區(qū)段工作面回采。根據(jù)有限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D開挖運算平衡后,提取采場最大主應(yīng)力Sig1如圖4所示,可以看出隨著煤柱寬度的增加,煤柱內(nèi)部最大主應(yīng)力逐漸穩(wěn)定。應(yīng)力峰值位置與煤柱彈性核區(qū)域逐漸遠離。

圖4 不同煤柱最大主應(yīng)力狀態(tài)比較

不同煤柱寬度下最大主應(yīng)力云圖呈現(xiàn)“X”型共軛分布,煤柱高度中線位置約為峰值應(yīng)力點,隨著煤柱尺寸由8 m增大到10 m、15 m,峰值應(yīng)力大小由26 MPa降至25.21 MPa,當(dāng)留設(shè)煤柱寬度達到15 m的時候,峰值應(yīng)力是23.75 MPa。峰值應(yīng)力位置約為巷道煤幫內(nèi)2.75 m左右,由于巷道圍巖自由面處存在卸壓狀態(tài),向煤柱深處2.75 m位置,煤柱內(nèi)部最大主應(yīng)力逐漸升高至最大,再向煤柱內(nèi)深部發(fā)展,最大主應(yīng)力Sig1值逐漸減小,說明煤柱寬度越小,煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中程度越高,最大峰值應(yīng)力處的煤柱完整性相對越差,變形量越大破壞也越嚴重,最終煤柱彈塑性狀態(tài)還需結(jié)合水平應(yīng)力、位移量等因素綜合分析。

圖5為不同煤柱鉛直應(yīng)力的狀態(tài)比較。可以看出,隨著煤柱寬度由8 m逐漸增大到10 m、15 m,應(yīng)力集中區(qū)域面積顯著減小,且鉛直應(yīng)力σzz峰值由8 m寬度煤柱時的21.8 MPa減小至10 m寬度時的20.44 MPa,當(dāng)煤柱尺寸增大至15 m時,鉛直應(yīng)力峰值是18.97 MPa,可以看出隨著煤柱寬度的增加,鉛直應(yīng)力σzz峰值和集中范圍均呈現(xiàn)減小趨勢,當(dāng)留設(shè)8 m寬煤柱時應(yīng)力集中系數(shù)k約為1.45,留設(shè)10 m煤柱時k約為1.373,留設(shè)15 m煤柱時k約為1.265,且煤柱留設(shè)尺寸的變化對于半煤巖泄水巷圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響較小。

圖5 不同煤柱鉛直應(yīng)力狀態(tài)比較

比較煤層采場開挖后,水平應(yīng)力σxx主要集中在煤柱和巷道頂板巖層層位,并且延伸到端頭位置頂?shù)装逄?如圖6所示。

圖6 不同煤柱水平應(yīng)力σxx狀態(tài)比較

與最大主應(yīng)力Sig1和鉛直應(yīng)力σzz演化規(guī)律不同的是,隨著煤柱寬度逐漸加大,煤柱內(nèi)部水平應(yīng)力集中范圍也隨之增加,可以看出彈性核內(nèi)部xx方向水平應(yīng)力值增大,與頂?shù)装宸逯祽?yīng)力等值線貫通,這說明隨著煤柱寬度逐漸加大,煤柱中心彈性核心寬度也是隨之增加的,煤柱寬度達到10 m時,中心區(qū)域處于彈性應(yīng)力狀態(tài),煤體基本未發(fā)生塑性變形,當(dāng)煤柱寬度超過10 m達到15 m時,彈性區(qū)域應(yīng)力值增大到約21.5 MPa,說明當(dāng)煤柱尺寸留設(shè)過窄時可能不利于煤柱發(fā)揮對頂?shù)装宓闹С谐休d作用,而當(dāng)煤柱留設(shè)過寬達到15 m時,煤柱內(nèi)部水平應(yīng)力較大,不利于避免采動影響下煤柱型沖擊能量事件的發(fā)生。

隨著煤層采場煤柱尺寸的逐漸增大,如圖7所示,沿工作面推進方向的水平應(yīng)力σyy云圖變化并不明顯,尤其是當(dāng)煤柱寬度由10 m增大到15 m時幾乎對水平應(yīng)力σyy不造成顯著影響,隨著工作面向前推進,水平應(yīng)力σyy主要集中在煤柱和巷道的頂?shù)装鍏^(qū)域,峰值壓力約為20.45 MPa。圍壓條件下的煤巖體的單向承載能力遠高于相同煤巖體的單軸抗壓強度,因此相對差值較小且峰值不超過單向承載能力的σzz、σxx以及σyy更利于煤柱中心部分保持彈性狀態(tài)。

圖7 不同煤柱水平應(yīng)力σyy狀態(tài)比較

綜合分析,煤柱寬度由8 m增加到10 m、15 m使得鉛直應(yīng)力σzz峰值應(yīng)力值和應(yīng)力集中范圍一定程度上增大,煤柱彈性狀態(tài)區(qū)域?qū)挾入S之增大,而對水平應(yīng)力σyy影響較小。隨著煤柱寬度的增加,對于采場圍巖的總位移量基本不造成影響,且即使留設(shè)8 m寬度煤柱,數(shù)值模擬結(jié)果表明煤柱和巷道圍巖的位移量基本小于0.05 dm,不同煤柱位移場狀態(tài)如圖8所示。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

通過理論計算和數(shù)值模擬,確定回采巷道護巷煤柱寬度為8 m。在礦井后續(xù)綜采工作面開采過程中,對寬度為8 m的煤柱穩(wěn)定性進行了現(xiàn)場觀測,結(jié)果表明巷道基本穩(wěn)定,未進行大的維護,圍巖變形量較小約為0.3 m,能保證回采工作的安全進行,同時較以前相比,多回收煤炭資源近10萬t,創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益8 000余萬元。這說明煤柱的留設(shè)是合理、可行的,同時反映出理論計算及模擬結(jié)果與實際情況較吻合。

5 結(jié)語

彬長礦區(qū)某礦1號煤層區(qū)段煤柱寬度為20 m,為進一步提高資源的利用率,采用理論分析計算、數(shù)值模擬等方法對區(qū)段煤柱的合理寬度進行優(yōu)化,理論研究確定區(qū)段煤柱寬度應(yīng)在7.9～9.8 m,數(shù)值模擬確定最佳煤柱寬度為8 m。現(xiàn)場應(yīng)用8 m區(qū)段煤柱期間表明,煤柱內(nèi)存在一定寬度的彈性核區(qū),煤柱完整性和承載能力較好,巷道變化在可控范圍內(nèi),維護量減少,實踐表明8 m的區(qū)段煤柱安全可靠,并取得了良好的經(jīng)濟效益。本結(jié)果為現(xiàn)場生產(chǎn)提供了技術(shù)支持,也為彬長礦區(qū)類似條件下中厚煤層工作面開采區(qū)段煤柱寬度留設(shè)提供了依據(jù)。