騰暉煤礦護(hù)巷煤柱合理留設(shè)尺寸研究*

李從盼,張大明,李 剛

(1.霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 臨汾 031400;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

煤礦地下開(kāi)采活動(dòng)中,巷道的穩(wěn)定性對(duì)于保證礦井生產(chǎn)和安全開(kāi)采至關(guān)重要。為了盡可能地提高采區(qū)回采率和保護(hù)大巷穩(wěn)定性,大巷護(hù)巷煤柱應(yīng)留設(shè)合理的寬度。通過(guò)對(duì)護(hù)巷煤柱留設(shè)尺寸國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)檢索可知:第一種方法為理論計(jì)算法,但計(jì)算的煤柱尺寸往往具有一定的安全系數(shù),煤柱留設(shè)過(guò)大[1-2];第二種方法為相似模擬法,但相似材料的配比問(wèn)題,不能夠完全真實(shí)的代表煤巖層,因此該方法只適用于獲取一定的礦壓規(guī)律,而對(duì)于留設(shè)具體合理煤柱尺寸適用性較差;第三種方法為數(shù)值模擬方法,該技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域成功解決了許多重大工程問(wèn)題,為工程人員分析巖體的破壞機(jī)理提供了很好的可視化手段[3]。

騰暉煤礦是整合礦井,煤炭資源緊缺,因此,合理的大巷護(hù)巷煤柱尺寸對(duì)于提高巷道穩(wěn)定性和煤炭資源回收率具有重要的意義。

1 礦井地質(zhì)條件概況

霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司是兼并重組礦井,生產(chǎn)能力1.2 Mt/a。目前,礦井在一采區(qū)進(jìn)行回采,按照礦井開(kāi)采接續(xù)計(jì)劃,2-105采煤工作面預(yù)計(jì)2018年12月進(jìn)入末采階段。2-105工作面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 2-105工作面布置圖Fig.1 2-105 working face diagram

2-105綜放工作面賦存平均深度493 m,開(kāi)采2號(hào)煤層,煤層平均厚度5.2 m,平均傾角2°,工作面斜長(zhǎng)180 m,推進(jìn)長(zhǎng)度765 m,采用兩進(jìn)一回的通風(fēng)方式,煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor of coal seam

工作面回采至停采線(xiàn)時(shí),工作面超前采動(dòng)效應(yīng)將對(duì)采區(qū)材料大巷、皮帶大巷、回風(fēng)大巷的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,采動(dòng)應(yīng)力將導(dǎo)致大巷變形失穩(wěn)。為了確保各條大巷的穩(wěn)定性,2-105工作面停采位置與大巷間必須留有一定寬度的煤柱,煤柱留設(shè)尺寸與采動(dòng)應(yīng)力影響程度、煤柱強(qiáng)度密切相關(guān)[4-5]。騰暉煤礦之前沒(méi)有對(duì)護(hù)巷煤柱合理留設(shè)尺寸進(jìn)行過(guò)研究,只是采用經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比法留設(shè)煤柱尺寸,缺乏確定護(hù)巷煤柱合理留設(shè)尺寸的具體依據(jù)和研究基礎(chǔ),造成護(hù)巷煤柱留設(shè)尺寸的可信度不高。

2 極限平衡理論計(jì)算分析

2.1 工作面煤柱超前支承壓力影響距離

在工作面回采過(guò)程中,從煤柱邊緣到深部,會(huì)出現(xiàn)破壞區(qū)(塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力低于原巖應(yīng)力的區(qū)域)、塑性區(qū)及彈性區(qū),各區(qū)域應(yīng)力分布見(jiàn)圖2。

R1-破壞區(qū)范圍;R2-塑性區(qū)范圍;R3-彈性區(qū)范圍;K-應(yīng)力集中系數(shù);γ-覆巖容重;h-煤層埋深圖2 工作面煤柱的應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution of coal pillars on the working face

由圖2可知,當(dāng)工作面回采至煤柱寬度減小到R3時(shí),工作面的超前支承壓力已開(kāi)始在采區(qū)大巷內(nèi)產(chǎn)生較為明顯的影響,即前面所提到的應(yīng)力升高階段;當(dāng)工作面剩余寬度減小至R2時(shí),煤柱內(nèi)應(yīng)力達(dá)到最大值,即將處于塑性變形階段;而當(dāng)工作面煤柱剩余寬度不足破壞區(qū)寬度R1時(shí),此時(shí)由于煤體發(fā)生破壞已完全喪失承載能力,壓力已轉(zhuǎn)移到巷道另一側(cè)煤體。

2.2 確定留設(shè)合理煤柱尺寸

根據(jù)極限平衡理論,采動(dòng)影響工作面前方煤柱的塑性區(qū)寬度(即塑性區(qū)位置R2和工作面超前支承壓力的影響距離R3)為[6]：

(1)

(2)

式中:M為工作面采高,5.2 m;A為側(cè)壓力系數(shù),取A=0.35;K為應(yīng)力集中系數(shù),取K=2.31;Kd為動(dòng)壓系數(shù),取Kd=1.86;φ為煤體內(nèi)摩擦角,25.2°;c為煤體內(nèi)聚力,2.19 MPa;β=1/A=2.7;f為煤層與頂?shù)装彘g的摩擦系數(shù),按煤層平均角度計(jì)算為0.118;γ為上覆巖層平均容重,25 kN/m3;h為埋深,按巷道最大埋深計(jì)算,取493 m。

將數(shù)值代入式(1)(2)可得R2=7.06 m,R3=56.27 m。末采階段的讓壓位置:R2實(shí)質(zhì)就是工作面煤體即將發(fā)生塑性變形的寬度,由于煤柱應(yīng)力會(huì)隨著工作面的回采不斷增大,其強(qiáng)度和承載能力則會(huì)逐漸降低,如果回采速度過(guò)快并且頂板恰好處于來(lái)壓時(shí)期,會(huì)使超前支承壓力峰值增大,導(dǎo)致采區(qū)大巷頂板下沉和片幫破壞現(xiàn)象加劇。因此,留設(shè)合理的煤柱尺寸為工作面超前支承壓力的影響距離R3。

因此,根據(jù)極限平衡理論,計(jì)算的留設(shè)合理煤柱尺寸不小于56.87 m。

3 煤柱合理尺寸數(shù)值模擬計(jì)算分析

3.1 模型建立

數(shù)值模擬計(jì)算采用目前比較廣泛使用的FLAC3D巖土工程三維分析軟件,按照2-105工作面地質(zhì)剖面圖尺寸進(jìn)行建模,由于主要研究2-105工作面推進(jìn)方向停采煤柱應(yīng)力和塑性區(qū)分布特征,工作面的側(cè)向應(yīng)力和塑性區(qū)暫不考慮,建立三維模型的尺寸為150 m×30 m×31.4 m,共劃分175 500個(gè)單元,191 740個(gè)節(jié)點(diǎn)。三維模型的邊界條件取為:四周采用鉸支,底部采用固支,上部為自由邊界。初始垂直應(yīng)力為自重應(yīng)力,考慮工作面在地層中所處的深度493 m,地應(yīng)力邊界條件根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行施加,垂直應(yīng)力12.5 MPa,由于此區(qū)構(gòu)造應(yīng)力影響不明顯,水平應(yīng)力1.11 MPa,選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。2-105工作面煤巖層物理力學(xué)參數(shù)均按實(shí)驗(yàn)室煤巖樣測(cè)試結(jié)果和工程類(lèi)比對(duì)模型進(jìn)行賦值,模擬煤巖物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模擬煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of numerical simulation

簡(jiǎn)化模型后,建立停采保護(hù)煤柱數(shù)值計(jì)算模型,如圖3所示。模型X軸方向?yàn)槊簩幼呦?Y軸方向?yàn)槊簩觾A向。模型X軸方向邊界煤柱寬30 m,Y軸方向邊界煤柱寬4 m,模型初始應(yīng)力平衡后,先開(kāi)挖2-105回風(fēng)巷道寬5 m,高3.5 m,然后布置錨桿(索);待圍巖穩(wěn)定后再開(kāi)挖2-105工作面,分別模擬留設(shè)60 m、50 m、45 m停采保護(hù)煤柱尺寸時(shí)對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響。

圖3 停采保護(hù)煤柱模型Fig.3 Protective coal pillars model of end-mining

3.2 結(jié)果分析

分別選取保護(hù)煤柱寬度60 m、50 m、45 m條件下沿工作面推進(jìn)方向煤柱垂直應(yīng)力和塑性區(qū)分布圖進(jìn)行分析。

3.2.1垂直應(yīng)力分布

不同尺寸保護(hù)煤柱垂直應(yīng)力分布云圖見(jiàn)圖4。當(dāng)留設(shè)保護(hù)煤柱寬度為60 m時(shí),煤柱內(nèi)集中垂直應(yīng)力非對(duì)稱(chēng)拱形分布形態(tài)較為穩(wěn)定。當(dāng)留設(shè)保護(hù)煤柱寬度為50 m時(shí),煤柱內(nèi)集中垂直應(yīng)力逐漸向穩(wěn)定非對(duì)稱(chēng)拱形分布形態(tài)過(guò)渡,巷道幫壁附近煤柱集中應(yīng)力范圍進(jìn)一步縮小,煤柱趨于穩(wěn)定。當(dāng)留設(shè)保護(hù)煤柱寬度為45 m時(shí),煤柱內(nèi)集中垂直應(yīng)力總體向采空區(qū)側(cè)偏移加劇,集中垂直應(yīng)力非對(duì)稱(chēng)拱形分布形態(tài)初步形成,巷道與采空區(qū)之間煤柱垂直應(yīng)力升高,且范圍進(jìn)一步縮小,煤柱穩(wěn)定性受到一定的影響,表明留設(shè)45 m保護(hù)煤柱時(shí)已不利于對(duì)巷道的保護(hù)。

4-a 60 m保護(hù)煤柱

4-b 50 m保護(hù)煤柱

3.2.2煤柱破壞狀態(tài)分布

不同尺寸保護(hù)煤柱塑性破壞區(qū)隨煤柱寬度變化具有顯著差異,其塑性破壞分布圖見(jiàn)圖5。當(dāng)留設(shè)保護(hù)煤柱寬度為60 m時(shí),煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)呈現(xiàn)一定的剪切破壞和拉伸破壞,如圖5-a所示,煤柱中部存在較大面積未發(fā)生破壞區(qū)域,煤柱穩(wěn)定性良好。當(dāng)留設(shè)保護(hù)煤柱寬度為50 m時(shí),如圖5-b所示,煤柱中部未破壞區(qū)域范圍進(jìn)一步縮小,煤柱穩(wěn)定性較好。當(dāng)留設(shè)保護(hù)煤柱寬度為45 m時(shí),煤柱承載剪切和拉伸應(yīng)力即將貫通整個(gè)煤柱,如圖5-c所示,煤柱兩側(cè)產(chǎn)生大面積剪破壞和拉破壞,煤柱即將失穩(wěn)。

5-a 60 m保護(hù)煤柱

5-b 50 m保護(hù)煤柱

5-c 45 m保護(hù)煤柱圖5 不同尺寸保護(hù)煤柱塑性破壞分布圖Fig.5 Plastic failure distribution of protective coal pillars of different sizes

綜上所述,如果一采區(qū)回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱尺寸小于45 m時(shí),受2-105工作面采動(dòng)影響煤柱容易發(fā)生失穩(wěn),會(huì)威脅到采區(qū)回風(fēng)大巷的圍巖穩(wěn)定,從數(shù)值模擬角度建議回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱留設(shè)50 m,但考慮一定的安全系數(shù),綜合理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果,建議2-105工作面停采保護(hù)煤柱留設(shè)寬度為57 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

為了監(jiān)測(cè)護(hù)巷煤柱受回采超前應(yīng)力的采動(dòng)影響,在一采區(qū)回風(fēng)大巷靠工作面?zhèn)炔贾?個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,見(jiàn)圖6,每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面安裝2組鉆孔圍巖應(yīng)力計(jì),孔深9 m,2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面間距20 m,第一組距2-1052巷50 m,每個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)初始值均在4.0 MPa左右。

圖6 監(jiān)測(cè)斷面布置示意圖Fig.6 Monitoring section layout

實(shí)踐結(jié)果表明,隨著2-105工作面向前推進(jìn),當(dāng)工作面距一采區(qū)回風(fēng)大巷60 m時(shí),鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力表的數(shù)值開(kāi)始增大,一采區(qū)回風(fēng)大巷開(kāi)始產(chǎn)生變形,該現(xiàn)象表明留設(shè)60 m的回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱最佳,但為了盡可能多回收煤炭,對(duì)一采區(qū)回風(fēng)大巷及右側(cè)相鄰巷道都采取了補(bǔ)強(qiáng)措施,最終回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱留設(shè)寬度50 m。

為了監(jiān)測(cè)2-105工作面末采期間對(duì)一采區(qū)回風(fēng)大巷的影響,平均布置了4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面對(duì)回風(fēng)大巷的圍巖移近量進(jìn)行了監(jiān)測(cè),2019年3月15日開(kāi)始進(jìn)入末采階段,2019年5月7日末采工作結(jié)束,監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示。4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中兩幫最大移近量為267 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?95 mm,均滿(mǎn)足回風(fēng)大巷的使用要求,最終實(shí)現(xiàn)了2-105工作面的安全回采與回風(fēng)大巷的保護(hù)。

表3 回風(fēng)大巷監(jiān)測(cè)斷面巷道圍巖移近量測(cè)量結(jié)果Table 3 Convergence of surrounding rocks at monitoring section in retain airway 單位：mm

5 結(jié)論

1)利用數(shù)值模擬的方法研究了騰暉煤礦一采區(qū)2-105綜采工作面超前支承壓力對(duì)大巷穩(wěn)定性的影響,分別模擬了60 m、50 m和45 m護(hù)巷煤柱的垂直應(yīng)力分布特征和保護(hù)煤柱塑性破壞分布特征,結(jié)果表明一采區(qū)回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱尺寸應(yīng)不小于45 m。

2)根據(jù)極限平衡理論對(duì)騰暉煤礦一采區(qū)回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱尺寸進(jìn)行了計(jì)算,得出留設(shè)合理煤柱尺寸不小于56.87 m。

3)通過(guò)監(jiān)測(cè)護(hù)巷煤柱受回采超前應(yīng)力的采動(dòng)影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作面距一采區(qū)回風(fēng)大巷60 m時(shí),鉆孔應(yīng)力計(jì)壓力表的數(shù)值開(kāi)始增大,一采區(qū)回風(fēng)大巷開(kāi)始產(chǎn)生變形,表明留設(shè)57 m煤柱的建議與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。