馬脊梁礦8113工作面沿空掘巷窄煤柱合理尺寸探討

王英杰 劉宏

(大同煤礦集團有限責任公司馬脊梁礦,山西大同)

1 前言

工作面開采過程中,上覆巖層活動劇烈,礦壓顯現復雜,并由此帶來的應力集中現象,也更容易發生煤與瓦斯突出。而為了縮短回采巷道掘進準備時間,工程上更多地采用沿空掘巷,留窄煤柱的方式[1]。煤柱寬度越窄,礦區資源的回收率也就越高,帶來的經濟效應也就越顯著,但同時煤柱內及巷道的變形也就越強烈[2],準確地確定工作面的沿空巷道煤柱的尺寸對于節約資源和安全生產具有重大意義。

2 沿空掘巷窄煤柱合理寬度理論計算

相關理論認為,區段煤柱的寬高比(W/H)在很大程度上制約著煤柱及巷道的穩定,一般認為W/H 在3～5 之間為屈服煤柱,W/H 在5～10 之間為臨界煤柱,W/H 大于10稱為支撐煤柱[3]。現場實踐表明,屈服煤柱在有效減小沖擊礦壓,抑制巷道內的底鼓問題時具有很好的作用。屈服煤柱是允許煤柱和巷道產生一定的變形,通過將載荷轉移到周圍實體煤的形式,降低其集中應力程度,對防止由于大量聚集的彈性能的突然釋放而造成的沖擊礦壓現象具有重要意義。所以選用較小寬度的屈服煤柱,既能減小礦井煤炭資源的損失、又能增強沿空巷道及煤柱的穩定性。

根據沿空掘巷煤柱寬度留設的基本要求,在簡化計算模型和增強錨桿錨固力的前提下,綜合分析影響圍巖穩定性的主控因素,并按照小煤柱護巷技術把回采巷道布置在靠近采空區側的卸壓區內的原則,文獻[4]給出了合理煤柱寬度B 的計算公式：

式中,X1為采空區側煤體中產生的塑性區寬度,m；X2為幫錨桿的有效長度,m；X3為考慮煤層厚度較大而增加的富裕量,一般取(X1+X2)的30～50%。

煤柱采空區側塑性區長度X1計算公式如下：

式中,m為煤層厚度,m；A為測壓系數；φ0為煤體的內摩擦角,°；C0為煤體的粘聚力,MPa；K為應力集中系數；γ為上覆巖層的平均容重,kg/m3；H為巷道埋深,m；PZ為支架對巷幫的支護阻力,在采空區側取值為零。

根據煤柱寬度理論計算根據8113 工作面的實際情況,將相關參數帶入以上計算公式得到煤柱留設寬度B在6.5 m～8 m 較為合理。

3 工作面沿空掘巷窄煤柱數值模擬分析

3.1 工程開采地質條件

該工作面地表位于窯洞村北西方向、馬脊梁大溝兩側,地表為溝谷相間的黃土地貌,洪水沖刷劇烈,“V”字型溝谷發育,主要發育馬脊梁大溝、達子溝及其支溝,其余大部分為耕地、幼樹、荒草地,有5條村村通公路穿越該工作面,地面高差為88.2 m。地面標高為1 280.3 m～1 368.5 m。

工作面位于14-3#一水平301-2 盤區,工作面標高為852.3 m～904.1 m,傾向長度為239.4 m,走向長度為2 377.0 m,工作面傾角為1°～5°,平均3°。其地質柱狀圖如圖所示。

3.2 煤巖層物理力學參數

工作面煤層為穩定型煤層,可采指數為1,含1～6層夾矸,厚0.05 m～2.15 m,純煤平均厚6.1 m,夾矸巖性多為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖,局部有煌斑巖,由于煌斑巖侵入,使一部分煤發生變質,從而形成變質煤和硅化煤。

老頂為含礫粗砂巖,厚度2.0 m～12.02 m,平均5.57 m,灰白色,中厚層狀,分布不均,分選性差。直接頂為砂質泥巖,厚度0.75 m～3.0 m,平均2.83 m,深灰色、塊狀,易碎,斷口平坦,局部含有鋁土巖,灰白色,塊狀,膠結致密。

工作面煤層頂板未發現偽頂。

煤層直接底為高嶺巖,厚度2.77 m～4.0 m,平均3.39 m,灰色,致密膠結,性脆易碎,含少量煤屑,斷端口平坦。老底為粗砂巖至含礫粗砂巖,厚度4.20 m～10.70 m,平均7.44 m,灰白色,礫石成分石英、長石,含少量暗色礦物,膠結松散,半堅硬。

3.3 數值模擬分析

以該8113工作面的工程地質條件為研究對象,采用FLAC3D數值模擬軟件進行數值模擬。建立了一個以x 軸為地層走向,y 軸為地層傾向,z 軸為垂直方向的三維模型。模型尺寸為700 m×250 m×250 m,模擬巖層為11 層。8113工作面兩側分別為8111工作面和8115 工作面,在上下兩個工作面采完之后,8113 工作面回風順槽和運輸順槽與采空區之間留有窄煤柱。工作面埋深平均550 m,工作面開采寬度為270 m,地層傾角取平均值11°。工作面前后均設50 m的邊界煤柱。根據工作面埋深550 m,計算得到模擬時的垂直應力為11.5 MPa。模型四周限制位移條件,側面在水平方向上固定,底面在垂直方向上固定。測壓系數取0.61,選取摩爾-庫倫準則對數值方案進行模擬。

為確保模型計算結果的精確性,在x 軸和y 軸方向上,確保每個網格單元為5 m,煤層區域適當加密,最終模型共392 000 個單元。加載地應力后,模型運算至收斂平衡。按照采場的實際開采順序,在模型建構好之后,先開挖8111 工作面,穩定后再開挖8115工作面,最后按每30 m 一步,共開挖150 m 的距離分步開挖8113工作面。

圖1 數值模型示意圖

為研究工作面沿空掘巷情況下煤柱應力及穩定性情況,首先對留設的窄煤柱寬度進行分析研究,根據前文計算得到的煤柱寬度理論計算值,將模擬寬度選為3 m、5 m、7 m、9 m 四種情況,根據不同情況下煤柱應力及位移情況確定最佳寬度。

圖2 不同寬度煤柱下應力分布

從上圖中可以看出,當煤柱寬度為3 m 時,在沿空掘巷巷道的右側實體煤中出現應力集中區,集中區距離巷道煤壁約10 m 左右,應力峰值為22.6 MPa,此時與煤柱接觸的頂底板區域出現應力減小現象,煤柱中心壓力峰值達到29.02 MPa,應力集中系數為1.7。說明此時煤柱破壞開始從上下部分向中部塑性發育,煤柱狀態并不穩定；當煤柱寬度為5 m 時,巷道右側實體煤中應力集中范圍減小,距巷道煤壁7m 左右,峰值為22.5 MPa,但較3 m 煤柱集中應力的面積也明顯減小,煤柱內部應力峰值為28.98MPa,較3m 時變化幅度不大,但集中范圍貫穿整個煤柱,此時整個煤柱正在承受較大應力,如果應力加大則極有可能出現破壞狀況；當煤柱寬度為7 m 時,此時煤柱內部出現應力集中區,集中范圍在3 m～4 m,集中區的應力峰值25.2 MPa,說明此時煤柱內部出現了較穩定的區域,即煤柱“核區”,煤柱處于穩定狀態；當煤柱寬度為9 m 時,此時煤柱內部的核區寬度處于煤柱中心位置,范圍在4 m～5 m,核心區應力峰值25.3 MPa,與煤柱寬度為7 m 時相差不大,說明繼續加大煤柱寬度并不能將核區范圍顯著增加,但卻會進一步浪費煤炭資源。根據數值模擬結分析可知,,確定合適的煤柱留設寬度為7 m。

圖3 留設7 m煤柱時工作面回采過程中應力分布

根據前文前文確定的7 m 窄煤柱留設寬度,模擬8113 工作面回采過程中分別開挖30 m、60 m、90 m、120 m、150 m 情況下的煤柱受力情況,根據工作面回采過程中煤柱受力特征的模擬結果分析可知,工作面進行回采時上下煤柱受力情況比沿空掘巷時復雜的多,且表現為上煤柱應力峰值要小于下煤柱應力峰值。隨著工作面的持續推進,煤柱所受的最大應力值由25 MPa 增加到40 MPa,與未開挖時相比,應力峰值出現先減小后增大的趨勢,這是由于開切眼后造成應力向周邊轉移而持續開挖后煤柱承受工作面支承應力的緣故。開挖過程中,煤柱并未出現應力減小或分布不均的情況,說明在此煤柱留設寬度下,工作面開挖帶來的應力增大并未對留設煤柱穩定性造成影響,7 m的留設煤柱寬度是合理的。

4 結論

(1)根據沿空掘巷情況下煤柱寬度留設的基本原則,計算得到8113 工作面煤柱留設寬度理論值B 在6.5 m～8 m 較為合理。

(2)模擬了不同煤柱寬度下的工作面的應力分布,確定8113工作面煤柱留設的合理寬度為7 m。

(3)模擬了8113 工作面回采過程不同開挖距離下,煤柱寬度為7 m 條件模擬煤柱應力分布情況,開挖過程中,煤柱并未出現應力減小或分布不均的情況,說明在此煤柱留設寬度下,工作面開挖帶來的應力增大并未對留設煤柱穩定性造成影響,7m 的留設煤柱寬度是合理的。