工作面上覆煤柱載荷及煤柱爆破效果分析

毛金峰

(新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023)

0 引 言

神府礦區(qū)煤層群埋藏較淺，由于技術(shù)條件和環(huán)境保護(hù)的限制在開(kāi)采過(guò)程中遺留了較多煤柱，隨著該礦區(qū)部分煤礦淺部煤炭資源的枯竭，煤礦開(kāi)采逐漸向煤層群的下部轉(zhuǎn)移[1]，受煤層群內(nèi)上下煤層間距離較小等因素影響，下部煤層在煤柱下開(kāi)采過(guò)程中極易產(chǎn)生冒頂、壓架等煤巖動(dòng)力災(zāi)害，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患[2-4]。國(guó)外眾多學(xué)者對(duì)殘留煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了較為廣泛的研究，SALAMON等[5]關(guān)于殘留煤柱強(qiáng)度的研究成果對(duì)南非煤礦的安全生產(chǎn)起到了重要作用；兩切寬剁法(two-split wide-stall method)在淺埋煤層開(kāi)采過(guò)程中提高了煤柱的穩(wěn)定性和煤炭資源的回采率[6-7]；WILSON[8]提出的兩區(qū)約束理論(或漸進(jìn)破壞理論)綜合考慮了煤柱兩側(cè)采空區(qū)的寬度、煤柱寬度、開(kāi)采深度等因素，提出了不同條件下的煤柱載荷計(jì)算公式，該方法得到了廣泛應(yīng)用；國(guó)內(nèi)對(duì)于條帶開(kāi)采的研究中，煤柱載荷計(jì)算多采用僅考慮覆巖自重應(yīng)力場(chǎng)的有效面積法[9]，該方法認(rèn)為各煤柱強(qiáng)度相等，承擔(dān)相同的載荷，煤柱載荷是在煤柱影響區(qū)域內(nèi)的固定載荷[10]，提出了采空區(qū)矸石不承載條件下的煤柱載荷計(jì)算公式；當(dāng)采空區(qū)冒落的矸石具有一定的承載能力時(shí)，則有計(jì)算采空區(qū)矸石承載能力的方法[9-10]。近年來(lái)，基于非線性理論的尖點(diǎn)突變模型提出了條帶煤柱破壞失穩(wěn)的必要條件以及影響因素[11]。當(dāng)前，針對(duì)上覆殘留煤柱的集中應(yīng)力對(duì)下部煤層工作面回采的影響已經(jīng)開(kāi)展了較為深入的研究，并針對(duì)工作面過(guò)上覆煤柱時(shí)可能發(fā)生的圍巖動(dòng)力災(zāi)害提出了如煤柱爆破[12]、注漿注砂充填采空區(qū)[13]等防治措施。

本文對(duì)煤柱載荷進(jìn)行了計(jì)算，應(yīng)用彈性力學(xué)理論計(jì)算了煤柱載荷在下覆煤層中對(duì)應(yīng)煤柱位置的應(yīng)力大小，采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)和工作面支架阻力監(jiān)測(cè)值對(duì)上覆煤柱爆破效果進(jìn)行分析。

1 工作面概況

韓家灣煤礦屬于淺埋近距離煤層群生產(chǎn)礦井，主采2號(hào)煤層和3號(hào)煤層，兩煤層間距約30 m，工作面平面布置如圖1所示。2號(hào)煤層以長(zhǎng)壁工作面回采為主，布置旺采工作面回收邊角煤及薄煤區(qū)的煤炭資源，當(dāng)前2號(hào)煤層已回采完畢。3號(hào)煤層為近水平煤層，可將3302工作面上覆的2號(hào)煤層采空區(qū)簡(jiǎn)化為圖2所示。3302工作面受2號(hào)煤層內(nèi)兩條橫跨工作面傾斜方向的煤柱(煤柱一和煤柱二)影響較大，回采過(guò)程中易造成大面積壓架、冒頂和覆巖大面積沖擊式來(lái)壓等災(zāi)難性事故。

圖1 2號(hào)煤層和3號(hào)煤層平面布置圖

圖2 3302工作面上覆采空區(qū)示意圖

2 理論計(jì)算

2.1 煤柱載荷的計(jì)算

煤柱一左側(cè)為長(zhǎng)壁工作面，右側(cè)為旺采面；長(zhǎng)壁工作面采用全部垮落法管理頂板，采空區(qū)冒落矸石直接頂；旺采面內(nèi)巷硐之間均留設(shè)煤柱，采空區(qū)內(nèi)冒落的矸石較少，一般不接頂。可將煤柱一簡(jiǎn)化為右側(cè)未開(kāi)采，左側(cè)無(wú)限開(kāi)采的模型進(jìn)行載荷計(jì)算；鄒友峰等[14]認(rèn)為當(dāng)煤體一側(cè)未開(kāi)采，另一側(cè)無(wú)限開(kāi)采時(shí)，采空區(qū)內(nèi)距煤壁0.3 H處矸石承載的載荷為γH，且該處與煤壁間的應(yīng)力按線性分布。據(jù)此假設(shè)，對(duì)有限采動(dòng)情況進(jìn)行疊加，可以得到采空區(qū)內(nèi)矸石承載情況下條帶煤柱載荷P的計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

P=(a+b)γH/a-γb2/1.2a

(1)

式中：P為煤柱平均載荷，MPa；a、b分別為留設(shè)煤柱寬度和采出寬度，m；γ為覆巖平均密度，kg/m3；H為平均開(kāi)采深度，m。

煤柱二兩側(cè)均為旺采工作面，巷硐間留設(shè)了大量煤柱，采空區(qū)內(nèi)冒落的矸石一般不接頂，所以采空區(qū)內(nèi)矸石不承受載荷。此時(shí)可認(rèn)為采出寬度內(nèi)上覆巖柱的重量全部轉(zhuǎn)移到殘留煤柱上，可以采用有效區(qū)域理論計(jì)算煤柱載荷[14]，煤柱載荷P的計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

P=(a+b)γH/a

(2)

2號(hào)煤層開(kāi)采深度約90 m，覆巖平均密度為24 kg/m3，煤柱一和煤柱二的寬度分別為14 m和7 m，由式(1)計(jì)算出煤柱一的載荷為5.5 MPa，由式(2)計(jì)算出煤柱二的載荷為5.3 MPa。

2.2 均布條形載荷下底板巖層的應(yīng)力分布

煤層開(kāi)采后，殘留煤柱在采動(dòng)應(yīng)力和原巖應(yīng)力的影響下向底板巖層傳遞載荷，底板巖層應(yīng)力發(fā)生集中、傳遞。因此，殘留煤柱造成的集中載荷將對(duì)下層煤的回采產(chǎn)生重要影響。應(yīng)用彈性力學(xué)理論，利用三維坐標(biāo)系下的集中載荷布辛奈斯克解分析二維坐標(biāo)問(wèn)題[13,15]，將煤巖體視為均質(zhì)彈性體，煤柱以集中載荷P在半無(wú)限平面體內(nèi)任意點(diǎn)的應(yīng)力模型如圖3所示。

圖3 煤柱集中載荷

在土力學(xué)中，當(dāng)?shù)鼗拈L(zhǎng)寬比大于或者等于10的時(shí)候可視為平面問(wèn)題進(jìn)行分析，此時(shí)按平面問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算也能保證足夠的精度[16]。煤礦開(kāi)采過(guò)程中，煤柱軸向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度，因此，可以把集中載荷表示煤柱載荷在底板中傳遞的模型轉(zhuǎn)化為均布條形載荷下的應(yīng)力分布模型，模型如圖4所示。

圖4 煤柱分布載荷

假設(shè)在煤柱寬度x方向作用一豎向載荷q，沿x方向取一微元dx，此時(shí)可求得M點(diǎn)的微元應(yīng)力dσx、dσy和dτxy，將其在煤柱寬度a上積分，即可求得在均布條形載荷下底板中任意點(diǎn)M的應(yīng)力計(jì)算，具體見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：σx、σy和τxy分別為煤柱底板巖層中水平附加應(yīng)力、垂直附加應(yīng)力和剪切附加應(yīng)力，MPa；q為作用于煤柱上的豎向均布載荷，MPa；x和y為M點(diǎn)在X-Y坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；a為煤柱的寬度，m。

將煤柱一和煤柱二的載荷帶入式(3)，可分別求得煤柱載荷底板應(yīng)力在3號(hào)煤層中對(duì)應(yīng)煤柱位置處的最大垂直附加應(yīng)力為0.56 MPa和0.34 MPa。由計(jì)算結(jié)果可知，殘留煤柱在其底板巖層中形成的應(yīng)力增高區(qū)已傳遞至3號(hào)煤層內(nèi)相應(yīng)區(qū)域。因此，當(dāng)工作面回采至上覆煤柱附近時(shí)，易引發(fā)頂板動(dòng)力災(zāi)害。

3 煤柱預(yù)裂松動(dòng)爆破施工

采用預(yù)裂松動(dòng)爆破技術(shù)對(duì)可能引發(fā)工作面動(dòng)壓災(zāi)害的上覆煤柱進(jìn)行預(yù)處理，破壞煤柱的整體性，釋放煤柱內(nèi)部的彈性能，降低煤柱的支撐能力。松動(dòng)爆破后，煤柱在上覆載荷作用下被進(jìn)一步壓垮破壞，上覆巖體發(fā)生一定量的下沉，能夠減小下方工作面回采至煤柱附近時(shí)的頂板下沉量，并且破碎的煤柱能夠?qū)缏涞纳细矌r層起到墊層緩沖作用。

由于煤柱所在采區(qū)已完成回采，難以在采空區(qū)內(nèi)對(duì)殘留煤柱進(jìn)行鉆孔作業(yè)。因此在3301工作面設(shè)置鉆場(chǎng)，根據(jù)預(yù)先松動(dòng)爆破的施工要求，精確計(jì)算鉆孔的孔深、仰角和方位角等參數(shù)，成孔后將爆破煤柱所需的炸藥送入指定位置。煤柱一和煤柱二所在范圍內(nèi)共施工松動(dòng)爆破鉆孔80個(gè)，煤柱內(nèi)鉆孔平面布置示意圖和鉆孔布置剖面示意圖如圖5和圖6所示。

圖5 鉆孔平面布置示意圖

圖6 鉆孔剖面示意圖

4 爆破卸壓效果分析

4.1 數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)分析應(yīng)力變化情況，分別選取煤柱爆破前3號(hào)煤層垂直應(yīng)力分布和煤柱爆破后3號(hào)煤層垂直應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)分析3號(hào)煤層內(nèi)對(duì)應(yīng)上覆煤柱位置附近的應(yīng)力變化情況。

圖7為煤柱爆破前和爆破后3號(hào)煤層內(nèi)垂直應(yīng)力分布圖。圖中方框位置分別為上覆煤柱一和煤柱二在3號(hào)煤層內(nèi)對(duì)應(yīng)的位置。對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可知，上覆煤柱爆破前和爆破后3號(hào)煤層內(nèi)應(yīng)力發(fā)生明顯變化，3號(hào)煤層內(nèi)對(duì)應(yīng)煤柱一位置處的應(yīng)力變化較為明顯，上覆煤柱爆破后煤層內(nèi)垂直應(yīng)力顯著降低；煤柱二位置處應(yīng)力變化幅度較小，但部分區(qū)域內(nèi)也有所降低；兩煤柱中間部分的垂直應(yīng)力也有較為明顯的降低。由此可知，上覆煤柱爆破后，3號(hào)煤層內(nèi)對(duì)應(yīng)煤柱位置處的垂直應(yīng)力得到了有效釋放，能夠顯著降低3號(hào)煤層內(nèi)的應(yīng)力集中。

圖7 3號(hào)煤層爆破前后垂直應(yīng)力分布圖

4.2 礦壓實(shí)測(cè)分析

通過(guò)礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)液壓支架工作阻力跟蹤監(jiān)測(cè)，進(jìn)而分析3302工作面在不同頂板覆巖結(jié)構(gòu)下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。由于相鄰支架間數(shù)據(jù)的變化幅度較小，僅在工作面中上、中、下三個(gè)部位選取了如圖8所示的9臺(tái)液壓支架數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖8 支架位置示意圖

3號(hào)煤層3302工作面回采之前，已對(duì)上覆煤柱一和煤柱二進(jìn)行了爆破。圖9(a)和圖9(b)分別為液壓支架在不同上覆巖層結(jié)構(gòu)下周期來(lái)壓期間和非周期來(lái)壓期間支架阻力的平均值。由圖9(a)可知，在周期來(lái)壓期間，支架阻力的平均值在不同的上覆巖層結(jié)構(gòu)下差別較小，即工作面在不同上覆巖層結(jié)構(gòu)下的過(guò)渡較為平穩(wěn)；中間支架的阻力值略大于兩端支架，周期來(lái)壓期間均未發(fā)生大面積壓架、冒頂?shù)软敯鍎?dòng)力災(zāi)害。由圖9(b)可知，非周期來(lái)壓期間支架阻力的平均值均較小，支架的承載能力有較大的剩余空間，回采過(guò)程中無(wú)明顯異常現(xiàn)象發(fā)生。綜上所述，上覆煤柱爆破起到了良好的卸壓作用，煤柱爆破卸壓后可以保證工作面的安全生產(chǎn)。

圖9 支架工作阻力平均值

5 結(jié) 論

1) 理論計(jì)算了殘留煤柱在3302工作面對(duì)應(yīng)煤柱位置的最大垂直附加應(yīng)力，確定了殘留煤柱在底板巖層中形成的應(yīng)力集中已經(jīng)傳遞至下覆3302工作面對(duì)應(yīng)位置。

2) 由FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果和液壓支架在周期來(lái)壓期間和非周期來(lái)壓期間支架阻力的平均值可知，煤柱爆破后3302工作面對(duì)應(yīng)煤柱位置的垂直應(yīng)力有明顯的降低。

3) 煤柱預(yù)裂松動(dòng)爆破技術(shù)可以有效治理由于上覆煤柱而引起的工作面煤巖動(dòng)力災(zāi)害，能夠保證工作面的安全回采。