同忻煤礦綜放工作面護(hù)巷煤柱尺寸研究

閆 捷

(同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司)

工程類(lèi)比法、理論計(jì)算法、數(shù)值模擬法及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法是當(dāng)前確定煤柱寬度的4種主要方法[1-4]，其適用范圍不同。工程類(lèi)比法測(cè)量比較簡(jiǎn)單，即按照物體類(lèi)型進(jìn)行類(lèi)比測(cè)量，但是遇到比較復(fù)雜的工程地質(zhì)時(shí)難以準(zhǔn)確測(cè)量，往往缺乏高科學(xué)性及針對(duì)性。理論計(jì)算法是根據(jù)巖柱穩(wěn)定極限平衡理論計(jì)算公式進(jìn)行確定的方法，但是在實(shí)際操作中，相關(guān)參數(shù)值很難獲得，不能完全反映客觀(guān)實(shí)際情況。數(shù)值模擬法是利用有限元計(jì)算軟件對(duì)不同寬度煤柱巷道的變形和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算和分析，與上述2種方法相比較，該方法具有較好的靈活性和便捷性，但對(duì)復(fù)雜條件下的計(jì)算情況進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，不能完全滿(mǎn)足實(shí)際條件，所以也存在一定的局限性。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量法是通過(guò)安裝在煤柱中的測(cè)探器測(cè)量支承壓力分布及圍巖變形，比較分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可靠性高，但很難實(shí)現(xiàn)對(duì)不同煤柱寬度的應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，無(wú)法進(jìn)一步觀(guān)察巷道變形情況。以上方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),在實(shí)際煤柱寬度設(shè)計(jì)中，相關(guān)工作者要采用多種方法相結(jié)合，以求得最優(yōu)解。同時(shí)，結(jié)合科學(xué)計(jì)算理論和數(shù)值計(jì)算的靈活性，最終確定煤柱的合理寬度。

1 工程概況

同忻煤礦是千萬(wàn)噸級(jí)礦井。目前正在開(kāi)采8106工作面，采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開(kāi)采方法，煤層平均厚15.3 m，采高為3.9 m，放煤厚度為11.4 m，傾斜長(zhǎng)193 m，可采走向長(zhǎng)1 406 m。8106工作面緊鄰8105和8107工作面。由于同忻礦受口泉斷裂和雙系兩硬開(kāi)采條件的影響，礦區(qū)內(nèi)應(yīng)力條件與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜，巖體中應(yīng)力的集中與能量的積聚使地層結(jié)構(gòu)對(duì)工程擾動(dòng)的反應(yīng)相對(duì)靈敏，礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，圍巖易失穩(wěn)[5]。開(kāi)采過(guò)程中，區(qū)段護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性較差，煤壁片幫明顯，導(dǎo)致回采巷道圍巖變形嚴(yán)重，巷道底鼓較大，給安全高效生產(chǎn)帶來(lái)了影響。

2 煤柱寬度理論計(jì)算

當(dāng)前綜放工作面多是采取沿煤層底板布置，隨著開(kāi)挖工作的進(jìn)行，巷道由于煤形狀的改變使得應(yīng)力重新分布，煤體兩側(cè)受到破壞，并且該破壞力由外向內(nèi)不斷轉(zhuǎn)移，直至彈性區(qū)邊界，根據(jù)上述4種計(jì)算方法，這里采取極限平衡理論進(jìn)行計(jì)算，煤層巷道塑性區(qū)寬度(應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度)R為

(1)

由于工作面回采在采空區(qū)邊界也會(huì)引起圍巖破碎，形成圍巖塑性區(qū)，其寬度R0為

(2)

煤柱的極限強(qiáng)度σ1為

(3)

式中，h為巷道高度,m；λ為側(cè)壓系數(shù)；k為巷道周邊的應(yīng)力集中系數(shù)；K為回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層的平均容重,kN/m3；H為開(kāi)采深度,m；Px為巷道支架對(duì)煤幫的支護(hù)強(qiáng)度,MPa；M為煤層開(kāi)采厚度,m；φ0和C0為煤柱的內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力，(°),MPa。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采取煤柱保護(hù)巷道時(shí)，其采空區(qū)與回采巷道會(huì)在煤柱的兩側(cè)形成相應(yīng)的變形區(qū)，這里將這2個(gè)變形區(qū)的寬度記為R0、R，在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，如果煤柱寬度B小于上述2個(gè)變形區(qū)寬度之和時(shí)，煤柱將失穩(wěn)，最終崩塌，造成安全事故。同時(shí)應(yīng)保持2倍巷道高度的煤柱中央彈性核。所以，使用煤柱來(lái)保證巷道穩(wěn)定狀態(tài)的寬度為

(4)

結(jié)合同忻礦的具體情況，h=3.6 m，λ=1.17，k=1.5～2，K=2～3，λH=13.8 MPa，Px=0 MPa，M=15.3 m，C0=2.05 MPa,φ0=55°,帶入式(4)得出同忻礦煤柱穩(wěn)定狀態(tài)的寬度B≥(40.1～42.9) m。理論計(jì)算確定同忻礦煤柱寬度應(yīng)不小于45 m。

3 煤柱寬度數(shù)值模擬計(jì)算

根據(jù)相關(guān)工作面的實(shí)際情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同寬度煤柱進(jìn)行分析，以25 m寬度為基礎(chǔ)研究值，以5 m遞增量進(jìn)行分析，最大為60 m，最終確定維持巷道穩(wěn)定的最佳煤柱寬度。

3.1 模型建立及參數(shù)確定

數(shù)值計(jì)算模型剖面見(jiàn)圖1，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，模型的尺寸及單元節(jié)點(diǎn)見(jiàn)表2。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型剖面

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 區(qū)段煤柱數(shù)值模擬參數(shù)

模型邊界條件如下：

(1)在模型橫向方向施加X(jué)軸約束力，則邊界橫向位移為零。

(2)在模型縱向方向施加Y軸約束力，則邊界縱向位移為零。

(3)在模型底部方向施加三向約束力，則邊界三向位移為零。

(4)模型頂部為自由邊界。

結(jié)合該礦地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及模擬工作面布置(圖2)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以確定在模型X軸方向施加21.2～16.5 MPa梯度應(yīng)力，Y軸方向施加6.5～5.1 MPa梯度應(yīng)力，上部施加11.3 MPa等效載荷，Z軸方向設(shè)定自重載荷。

圖2 地應(yīng)力方位與工作面對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2 煤柱穩(wěn)定性模擬結(jié)果及分析

3.2.1 塑性區(qū)分布特征

8106工作面不同煤柱寬度下煤柱彈塑性區(qū)模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。可以看出，當(dāng)煤柱寬度為25 m時(shí)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可得采空區(qū)側(cè)的塑性寬度較大，彈性區(qū)寬度較小。繼續(xù)增加煤柱寬度，當(dāng)煤柱寬度為30 m，采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)范圍進(jìn)一步減少。當(dāng)煤柱寬度由30 m增加到60 m時(shí)，煤柱內(nèi)部的塑性區(qū)范圍已經(jīng)不會(huì)發(fā)生太大的改變，相反的是彈性區(qū)逐漸增加，這說(shuō)明隨著煤柱寬度的增加，超過(guò)一定臨界值以后，煤柱會(huì)更加穩(wěn)定，從而有利于巷道維護(hù)，但是增加了煤炭資源的損失。

圖3 不同煤柱寬度圍巖彈塑性區(qū)分布

3.2.2 應(yīng)力分布特征

8106工作面內(nèi)不同寬度煤柱及巷道周邊垂直應(yīng)力見(jiàn)圖4。可以看出，由于受上區(qū)段工作面采動(dòng)的影響，沿空巷道兩側(cè)均形成應(yīng)力集中帶，并且頂、底板呈現(xiàn)為拱狀卸壓帶。隨著煤柱寬度的加大，巷道頂?shù)装逅苤С袎毫χ饾u減小，而煤柱中雖然存在一定的應(yīng)力集中，但是應(yīng)力集中程度逐漸降低。當(dāng)煤柱寬度大于50 m時(shí)，煤柱中應(yīng)力分布區(qū)域劃分逐漸模糊，最大最小主應(yīng)力差逐漸減小，煤柱在整個(gè)寬度方向上受力趨于均衡。

煤柱巷道側(cè)不同距離應(yīng)力分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。可以看出，當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，煤柱中應(yīng)力曲線(xiàn)以單峰曲線(xiàn)為主，煤柱寬度為25和30 m時(shí)，距離煤柱巷道側(cè)邊界5 m處的應(yīng)力峰值分別為49和44.5 MPa。隨著煤柱寬度繼續(xù)增加，應(yīng)力曲線(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰曲線(xiàn)，巷道側(cè)煤柱應(yīng)力峰值逐漸減小，煤柱寬度為45 m，煤柱應(yīng)力峰值為37.4 MPa，大于煤柱的極限抗壓強(qiáng)度，圍巖變形嚴(yán)重。當(dāng)煤柱寬度達(dá)到50 m時(shí)，應(yīng)力峰值為34.3 MPa，煤柱接近于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)煤柱寬度達(dá)到60 m時(shí)，應(yīng)力峰值為30.3 MPa。由式(3)計(jì)算得煤柱的極限抗壓強(qiáng)度約35 MPa，當(dāng)煤柱垂直應(yīng)力高于煤柱的極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，煤柱將發(fā)生失穩(wěn)，在不采取措施的情況下，煤柱不穩(wěn)定，易引起臨空巷道圍巖變形與失穩(wěn)。

3.2.3 回采巷道表面位移分析

不同煤柱寬度巷道表面位移變化情況見(jiàn)圖6。可以看出，不同尺寸煤柱巷道的表面均產(chǎn)生位移，致使巷道變形嚴(yán)重。隨著煤柱尺寸的增加，巷道表面位移呈近似線(xiàn)性降低。當(dāng)煤柱寬度為50 m時(shí)，巷道頂板下沉量、回采側(cè)幫移近量和煤柱側(cè)幫移近量分別為401，162和267 mm，巷道基本處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)同忻煤礦8106綜放工作面不同寬度情況下煤柱模型的彈塑性區(qū)、垂直應(yīng)力和表面位移分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，煤柱應(yīng)力曲線(xiàn)為明顯的單峰曲線(xiàn)，應(yīng)力峰值較高，巷道變形嚴(yán)重；隨著煤柱寬度增加，煤柱應(yīng)力曲線(xiàn)由單峰轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰，應(yīng)力峰值逐漸降低，巷道變形量逐漸減小，當(dāng)煤柱寬度達(dá)到50 m時(shí)，煤柱巷道側(cè)應(yīng)力峰值為34.3 MPa，低于煤柱的極限強(qiáng)度35 MPa，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合煤礦受區(qū)域構(gòu)造的影響，圍巖中積聚較大應(yīng)力和能量，造成圍巖易失穩(wěn)。理論計(jì)算與數(shù)值模擬表明，同忻煤礦綜放工作面區(qū)段護(hù)巷煤柱合理寬度不小于50 m。針對(duì)同忻煤礦實(shí)際地質(zhì)條件，可以對(duì)煤柱進(jìn)行卸壓以達(dá)到優(yōu)化煤柱寬度的目的。加強(qiáng)回采巷道本身的支護(hù)強(qiáng)度，提高其自身的維穩(wěn)能力；改善煤柱的受力狀態(tài)，緩解采空區(qū)側(cè)覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)其穩(wěn)定性造成的影響，如爆破切頂卸壓，在頂抽巷中布置鉆孔，利用爆破削弱采空區(qū)與待采區(qū)的頂板聯(lián)系，緩解煤柱受力。

圖4 不同煤柱寬度圍巖垂直應(yīng)力分布

圖5 煤柱巷道側(cè)不同距離應(yīng)力分布曲線(xiàn)

圖6 不同煤柱寬度巷道表面位移

[1] 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(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào).2008，25(4)：400-403.

[2] 張國(guó)華,張雪峰,蒲文龍，等.中厚煤層區(qū)段煤柱留設(shè)寬度理論確定[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(5):521-526.

[3] 魏峰遠(yuǎn),陳俊杰,鄒友峰.影響保護(hù)煤柱尺寸留設(shè)的因素及其變化規(guī)律[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2006,34(10):85-87.

[4] 周華龍,李開(kāi)學(xué),田衛(wèi)東,等.數(shù)值模擬確定沿空掘巷合理煤柱寬度[J].煤礦開(kāi)采,2010,15(1):23-25.

[5] 于 斌，陳 鎣，韓 軍．口泉斷裂與同忻井田強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的關(guān)系[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013,38(1)：73-77.