泰安礦極近距離煤層合理煤柱寬度確定

馬玉川

(晉能集團 泰安煤業有限公司,山西　保德　036600)

?

·試驗研究·

泰安礦極近距離煤層合理煤柱寬度確定

馬玉川

(晉能集團 泰安煤業有限公司,山西保德036600)

基于護巷煤柱穩定性分析和煤體內彈塑性分區，采用彈塑性理論和數值模擬等相關手段，研究了泰安礦極近距離煤層開采條件下，11號煤層區段煤柱留設的合理寬度。研究發現：為了保證煤柱穩定及巷道變形可控，同時最大程度減小煤炭損失， 11#煤煤柱寬度不應小于10 m.

極近距離煤層；區段煤柱；彈塑性分區；數值模擬

頂板上覆巖層穩定性與區段煤柱變形破壞規律關系密切，而采動壓力造成回采巷道的破壞程度受到區段煤柱留設寬度的影響，同時區段煤柱留設寬度關乎巷道穩定性，其合理取值對確定巷道支護設計參數至關重要。國內外學者對區段煤柱留設合理寬度的研究做了大量研究，主要集中在：1) 將煤礦井下實測結果進行統計整理、歸納分析，得出巷道圍巖不穩定條件下區段煤柱合理留設尺寸[1]. 2) 基于礦山壓力理論，運用彈塑性力學等相關知識確定煤柱尺寸留設的方法及經驗公式[2-3].3) 利用數值模擬軟件研究巷道的圍巖變形，確定煤柱合理留設尺寸[4]. 4) 根據巖體內彈塑性分區，推導穩定狀態下護巷煤柱合理留設寬度計算公式[5]. 5) 基于塑性力學理論建立三維應力空間坐標，推導煤柱塑性區合理寬度的計算公式[6]. 本論文基于泰安煤礦11號煤層具體賦存地質條件，綜合采用理論計算、數值模擬等方法對區段煤柱合理留設寬度進行了分析。

1　泰安礦工程概況

泰安礦井田范圍內有5層可采煤層，全井田劃分為3個水平，一水平標高+910 m，開采全井田的8號煤層，二水平標高+830 m，開采全井田的11、12號煤層，三水平標高+800 m，開采全井田的13號煤層。8號煤層已進入末采時期，目前開采8104工作面，接續工作面為8105，南部8201、8202、8203工作面已采空。礦井規劃開采8煤采空區之下的11、12號煤，11號煤和12號煤為極近距離煤層。

11號煤層厚度變化為1.4～1.7 m，西薄東厚。工作面11號煤層的厚度平均在1.5 m左右。11、12號煤層間距變化為2.2～5.7 m，由西北至東南逐漸變厚，11、12號煤前3個工作面層間距>3.2 m，末采段約300 m范圍內在工作面由南向北推進方向上，層間距由4.7 m至3.2 m逐漸減小。12號煤層厚度變化為1～5 m，由東向西逐漸減小，主要可采區域厚度1.5～4 m，前3個工作面煤厚分布在2.5～3.5 m，平均為3 m. 11、12號煤層間距變化表明，若在11#煤采空區下掘巷，11、12號煤前3個工作面層間距>3.2 m，12號煤層巷道具備進行錨桿支護的條件，向西布置第4個工作面時，層間距<3.2 m，下部12號煤層巷道不具備進行錨桿支護的條件，11、12號煤層層間距不滿足進行錨索支護的條件。煤層及頂底板情況的相關參數見表1.

2　區段煤柱彈塑性力學分析

2.1護巷煤柱穩定性分析

在煤礦井下進行開采作業時，會引起煤體內原巖應力的擾動，致使巷道的煤柱內產生數倍于γH的集中應力。采動影響和應力集中造成煤體整體性的破壞，煤體抗壓強度降低，故而，巷道煤幫處煤體破壞嚴重，容易剝落離層。在準備和回采階段需要留設一定寬度的區段煤柱，以保持巷道的穩定性，塑性變形區分布在護巷煤柱兩側，一側是采場采空后形成的寬度為R0塑性區，另一側是回采巷道掘進后形成的寬度為R塑性區。當B小于R0+R即整個護巷煤柱處于塑性狀態時，護巷煤柱難再保持穩定狀態，極易失穩。護巷煤柱不發生失穩的先決條件是：護巷煤柱內一部分煤體需要處于彈性應力狀態，該區域位于煤柱中間部分，并且該彈性核的尺寸不宜過小。根據工程實踐結果可知，護巷煤柱彈性核的寬度應不低于2倍巷高h，即B≥R0+2h+R.合理區段煤柱留設示意圖見圖1.

表1　煤層頂底板情況及物理力學參數表

圖1　合理區段煤柱留設示意圖

1) 當B小于R0+R即整個護巷煤柱處于塑性狀態時，采空區側和巷道側的支承壓力曲線將相互疊加造成應力集中現象，并且護巷煤柱中間部分應力趨向于均勻分布(見圖2)，煤柱一直處于陡增應力狀態時難以保持穩定性，而造成跨落破碎。

圖2　煤柱內無彈性核區時煤柱的集中應力分布狀態圖

2) 當護巷煤柱彈性核區寬度大于2倍煤柱高度時，由于彈性區范圍較大，護巷煤柱中間部分的煤體將處于彈性應力狀態，見圖3，護巷煤柱的變形量不至于過大，而影響其穩定性。

圖3　煤柱內彈性核區較大時煤柱的集中應力分布狀態圖

3) 當護巷煤柱包含彈性區，但是其寬度不大時，支承壓力在護巷煤柱中間部分進行疊加，煤體雖然處于彈性應力狀態，但是該部分的應力高于γH數倍，應力曲線呈馬鞍形并且沿垂直于巷道方向分布，見圖4.

圖4　煤柱內彈性核區較小時煤柱的集中應力分布狀態圖

2.2采空區側塑性區寬度分析

根據頂板巖層破斷結構的砌體梁理論，采空區一側形成側向砌體梁見圖5.在老頂回轉變形的過程中，老頂的作用在直接頂和煤體上的形式為“給定變形”，老頂作用在直接頂以及煤體上的壓力稱為“給定壓力”，老頂給定壓力的大小取決于煤體及直接頂的物理力學性質及層厚等參數。

圖5　煤柱側上覆巖層破壞狀態示意圖

隨著采煤工作面的不斷推進，采空區上方斷裂的老頂一側由煤壁支承，另一側由于失穩將會發生回轉變形，見圖5，側向砌體梁巖塊擠壓失穩以后，將會發生滑落和結構失穩，側向砌體梁的回轉變形影響護巷煤柱煤體邊緣部分的受力分布以及變形狀況。隨著采煤工作面的不斷推移，采場周邊煤柱體內原有應力遭到破壞而重新分布，煤柱體內由外及里依次會出現破裂區、塑性區、彈性區和原巖應力區(圖6)，圍巖應力向深部轉移，彈塑性狀態下煤體內鉛直應力σy的分布見圖6.

圖6　煤體內彈塑變形區

采空側塑性區寬度R0的確定，首先要分析側向砌體梁長度l、回轉下沉角θ，其具體計算分析如下：

1) 側向砌體梁長度l的計算方法。

基于板的屈服線分析法，老頂的側向跨度大小為：

式中：

l—側向砌體梁長度，m；

L—周期來壓步距，m，取10；

S—工作面長度，m，取216.

將參數代入上式，得l=11.3 m

2) 側向砌體梁回轉下沉角θ的計算方法。

式中：

M—采高，m， 11#煤取1.57；

η—工作面回采率，取93%；

kd—煤體碎脹系數，取1.35；

hi、ki—冒落帶巖層的厚度、碎脹系數。

對于11#煤，將h1=8.3 m，k1=1.35代入，得θ=6.01°

3) 塑性區寬度R0.

在直接頂、煤體和直接底組成的系統中，除了煤體其余均作為線彈性體來考慮，符合Mohr—Coulomb強度理論，同時可以利用彈性力學的平面應變問題對其進行求解。經過推導計算，得塑性區寬度：

式中：

lp—基本頂在煤體內破斷長度，m，11#煤取8.6；

σc—煤體單軸抗壓強度，MPa，11#煤取17.8；

μ1—損傷煤體的泊松比，11#煤0.288；

Hd—煤層厚度，m，11#煤取1.57；

E—煤體彈性模量，GPa,11#煤取1.7；

μ—煤層的泊松比，取0.32；

hi、Ei—冒落帶巖層的厚度、彈性模量，其中E1=E2=15.1 GP，E3=25.1 GP.

根據圍巖力學測試結果，將煤層與頂板巖層的力學參數代入上式得：11#煤煤柱塑性區寬度R0=2.68 m.

2.3煤柱內彈性區寬度分析

當護巷煤柱煤體處于彈性應力狀態時，工作面及采準巷道超前支承壓力均服從負指數函數曲線規律衰減，當護巷煤柱內彈性區的臨界寬度(L1或L2)不大時，可近似地按照拋物曲線規律分析，以臨界寬度的彈性區部分為研究對象，受力分析模型見圖7.

圖7　煤柱中部彈性區支承壓力分布圖

在應力分量的計算過程中，借鑒彈性力學的分析結果和廣義米賽斯準則，得到護巷煤柱彈性區的臨界尺寸：

式中：

c、φ—煤層的黏聚力和內摩擦角。

基于以上結果，采準巷道側的彈性區寬度：

k1取值為2.5～3，k2取值為2～2.5.

泰安礦試驗工作面埋深取400 m，覆巖容重取25 kN/m3，則

原巖應力：γH=25×400=10 MPa

將上述指標代入：

11#煤煤柱彈性核區寬度：L=L1+L2=2.12+2.28=4.41 m

11#煤采空區側塑性區寬度R0為2.68 m，煤柱內彈性核區寬度L為4.41 m，回采巷道側塑性區寬度R按2.68 m計，故區段煤柱合理寬度B為：

B=R0+L+R=9.77 m

3　區段煤柱寬度數值模擬分析

應用FLAC3D分析6 m、8 m、10 m、12m、14 m、16 m、18 m、20 m、22 m、24 m 10種不同寬度11#煤煤柱條件下煤柱內的應力分布、位移大小分布及煤柱內煤體破壞程度。將模型的4個立面以及底部的法向位移進行固定。煤巖層物理力學參數利用試驗室測定數據(表1)確定。模型中支架用BEAM單元模擬，層理弱面用INTERFACE模擬。力學模型見圖8，其中模型長250 m×寬1 m×高90 m，總計50 000個運算單元格。

圖8　數值模擬模型圖

3.1不同煤柱寬度下應力集中程度分析

首先對不同煤柱寬度下煤柱應力集中程度進行模擬分析，其煤柱集中應力分布情況見圖9.

圖9　不同煤柱寬度下煤柱應力分布情況圖

統計圖9不同煤柱寬度下煤柱應力分布情況得集中應力的曲線見圖10.

圖10　不同煤柱寬度下煤柱應力分布曲線圖

分析圖10可知，當煤柱寬度<8 m時，護巷煤柱左右兩側的側向支承壓力相互疊加，支承壓力曲線表現為“單峰”現象，煤柱中間部分載荷增加幅度較大，應力趨向于均勻分布，其集中應力達到49 MPa；此后護巷煤柱留設寬度不斷加大，煤柱內支承壓力曲線表現出明顯的“雙峰”現象，支承壓力峰值明顯減小，當煤柱留設寬度為10～12 m時，煤柱中間部分的彈性核區尺寸在6～8 m，此時滿足2倍煤柱高度的經驗結論，隨著煤柱寬度不斷加大，煤柱中央彈性核區持續增加，當護巷煤柱寬度為24 m時，彈性核區的寬度擴大到15 m左右。

分析不同煤柱寬度下煤柱集中應力的分布規律，建議11#煤合理煤柱寬度為10 m.

3.2不同煤柱寬度下煤柱破壞范圍分析

通過分析不同煤柱寬度下煤柱破壞范圍，進一步確定合理煤柱寬度，不同煤柱寬度下煤柱的破壞情況見圖11.

圖11　不同煤柱寬度下煤柱破壞情況圖

分析圖11可知：當護巷煤柱寬度≤8 m時，支承壓力疊加造成應力集中程度較大，煤柱內煤體處于完全塑性破壞狀態；當留設寬度增加到10 m時，護巷煤柱中間部分開始出現彈性核區，但是分布區域較小；彈性核區的寬度隨著煤柱留設寬度的增加不斷加大；當留設煤柱寬度增加到20 m時，彈性核區擴展至14 m.數值模擬顯示并結合彈性核區理論分布結果，建議護巷煤柱的留設寬度應大于10 m.

3.3不同煤柱寬度下煤幫變形位移分析

統計不同煤柱寬度下巷道煤壁變形位移曲線見圖12.

圖12　不同煤柱寬度下巷道煤壁的變形位移曲線圖

根據圖12分析可知，總體來講，煤幫變形隨著煤柱留設寬度不斷加大而持續減小。當煤柱寬度由6 m增加至10 m的過程中，巷道煤幫變形位移量急劇減小，煤柱寬度10 m時，煤幫變形降至0.2 m，此范圍內增加煤柱寬度，對控制巷道變形效果顯著。此后隨著煤柱寬度進一步增大，巷道煤壁變形位移量緩慢減小，當煤柱寬度達到20 m時，煤幫位移量不再變化，達到穩定值。因此，從巷道煤壁變形位移量分析，建議煤柱寬度應不低于10 m.

4　結　論

通過理論分析11#煤煤柱塑性區和彈性核區寬度，認為11#煤煤柱寬度不應小于9.07 m；通過模擬分析11#煤區段煤柱破壞與應力分布特征，認為11#煤煤柱寬度不應小于10 m.為了保證煤柱穩定及巷道變形可控，同時最大程度減小煤炭損失，不考慮極近距離煤層聯合開采相互影響時，11#煤煤柱寬度不應小于10 m.工程實踐表明，本文所提出的確定極近距離煤層的區段煤柱留設寬度是可行的。

[1]陳金國.不穩定圍巖區段煤柱尺寸的確定[J].礦山壓力與頂板管理,2000(4):40-41.

[2]任滿翊.旺格維利采煤法煤柱尺寸的合理確定[J].礦山壓力與頂板管理,2004(1):42-43.

[3]錢鳴高,石平五,許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社,2009：136-139.

[4]奚家米,毛久海,楊更社,等.回采巷道合理煤柱寬度確定方法研究與應用[J].采礦與安全工程學報,2008,25(4):400-404.

[5]張耀榮,高慧,高進.影響護巷煤柱寬度的因素分析[J].煤,2001,10(01):11-13.

[6]朱建明,馬中文.區段煤柱彈塑性寬度計算及其應用[J].金屬礦山,2011,422(8):29-32.

Reasonable Coal Pillar Width Determination of Extremely Close Distance Coal Seams in Tai'an Coal Mine

MA Yuchuan

Based on the stability analysis of protection roadway coal pillar and elastic-plastic partitions in coal, using elastic-plastic theory and numerical simulation method, studies on the reasonable unexploited coal pillars of No.11 coal seam under the condition of extremely close distance coal seam mining in Taian coal mine. The research fiding that in order to guarantee the stability of coal pillar and control roadway deformation, minimizes the coal loss at the same time, No.11 coal pillar width should not be less than 10 m.

Extremely close distance coal seam; Section coal pillar; Elastic-plastic partition; Numerical simulation

2015-12-16

馬玉川(1976—)，男，山西保德人，2013年畢業于太原理工大學，工程師，主要從事煤礦生產技術工作(E-mail)244803524@qq.com

TD353

A

1672-0652(2016)03-0034-06