特厚煤層綜放工作面區(qū)段煤柱合理寬度優(yōu)化研究

王治文,白雪文,王常興,任云峰,劉一揚(yáng)

(1.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云韓家洼煤業(yè)有限公司,山西 左云 037199;2.山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,太原 030032;3.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室,太原 030024)

留設(shè)煤柱一直是主要的護(hù)巷手段[1]。確定合理的區(qū)段煤柱留設(shè)寬度,不僅可以充分發(fā)揮煤柱支撐頂板的作用,還能實現(xiàn)隔離采空區(qū)有害氣體，防止積水涌入工作面,防止風(fēng)流漏入采空區(qū)的目的，且可節(jié)約煤炭資源,提高礦井經(jīng)濟(jì)效益[2-4]。而對于特厚煤層,煤柱寬度的不合理則會導(dǎo)致煤炭資源的大量浪費及巷道維護(hù)困難,嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)[5]。目前,在合理煤柱留設(shè)寬度理論計算的研究方面,眾多學(xué)者建立了不同的力學(xué)模型,并據(jù)模型給出了多種煤柱寬度的計算方法[6-8]。同時,針對不同地質(zhì)條件、不同開采工藝的工作面區(qū)段煤柱寬度的確定,數(shù)值模擬方法得到了廣泛應(yīng)用,也使得煤柱寬度的研究更為多樣化與便捷化[9-11]。上述豐富有益的研究有效地解決了工程問題,指導(dǎo)了實際生產(chǎn)。本文以韓家洼煤礦22號煤層為研究背景,根據(jù)煤層回采過程中出現(xiàn)的側(cè)向支承壓力對鄰近工作面巷道影響較弱,且圍巖變形量較小等現(xiàn)象,可知目前所留煤柱完全能夠滿足回采需要,但寬度過大,造成礦井成本的提高及資源的浪費,因此,需對煤柱寬度進(jìn)行合理優(yōu)化。

1 礦井地質(zhì)條件概況

韓家洼煤礦位于大同煤田石炭-二疊紀(jì)煤田中南部,總體形態(tài)為單斜構(gòu)造,傾角2°～6°,井田內(nèi)共有6條對開采影響不大的斷層,未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入體,井田構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單。井田內(nèi)可采煤層共4層:16-2號煤層,19號煤層,22號煤層及25號煤層。現(xiàn)主要開采22號煤層，22號煤層全區(qū)可采,厚度10.35～15.82 m,平均11.78 m,含2～5層夾矸,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,屬穩(wěn)定煤層。22號煤層以基本頂為主,全井田均有分布,巖性為砂礫巖及粗細(xì)砂巖,穩(wěn)性定好,底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖。偽頂及直接頂不發(fā)育。

礦井首先開采東部各盤區(qū)工作面,留設(shè)煤柱凈寬度為30 m,經(jīng)實際開采觀測,該尺寸條件下,工作面回采過程中形成的側(cè)向支承壓力對鄰近工作面巷道影響弱,整體圍巖變形量較小。因此,可進(jìn)一步優(yōu)化22號煤層留設(shè)區(qū)段煤柱的寬度,以提高礦井資源回收率,降低成本,節(jié)約煤炭資源。

現(xiàn)以位于井田西北部的22402工作面為主要研究對象,確定22號煤層剩余工作面間的區(qū)段煤柱尺寸。22402工作面北鄰22401工作面采空區(qū),東為西盤區(qū)大巷保護(hù)煤柱,煤層巷道均沿底板掘進(jìn),所分析研究的煤柱位于22401采空區(qū)與22402回風(fēng)順槽之間,工作面布置及煤柱位置如圖1所示。井田西北部,22402工作面附近的ZK4鉆孔柱狀圖如圖2所示。

圖1 工作面布置及煤柱位置圖Fig.1 Layout of working face and coal pillars

圖2 ZK4鉆孔柱狀圖Fig.2 ZK4 borehole histogram

2 區(qū)段煤柱合理寬度理論計算

護(hù)巷煤柱一側(cè)為22401工作面采空區(qū),另一側(cè)為22402回風(fēng)順槽,煤柱承載了數(shù)倍于原巖應(yīng)力的載荷,其所受支承壓力分布如圖3所示。

圖3 煤柱支承壓力分布Fig.3 Coal pillar abutment pressure distribution

圖3中,煤柱采空區(qū)側(cè)及巷道側(cè)邊緣在支承壓力的作用下發(fā)生破碎,應(yīng)力向煤柱深部轉(zhuǎn)移,且煤柱承載能力隨著不斷遠(yuǎn)離煤柱邊緣而明顯增長,直至承載能力與支承壓力達(dá)到極限平衡,煤柱趨于穩(wěn)定。煤柱由邊緣向內(nèi)部形成了破裂區(qū)Ⅰ、塑性區(qū)Ⅱ以及彈性區(qū)Ⅲ。其中,破裂區(qū)與塑性區(qū)可以統(tǒng)稱為極限平衡區(qū)[6]。

2.1 煤柱中部彈性區(qū)寬度計算

為保持煤柱穩(wěn)定,需要在煤柱中部留有一定寬度的彈性區(qū),以保證煤柱具有一定的承載能力。由于煤柱兩邊分別為巷道及采空區(qū),所形成的支承壓力大小與影響范圍存在差異,故煤柱中部彈性區(qū)Lt可按式(1),分為兩部分分別計算：

Lt=L1+L2.

(1)

式中:L1為采空區(qū)側(cè)彈性區(qū)寬度,m;L2為巷道側(cè)彈性區(qū)寬度,m。

運用廣義米賽斯準(zhǔn)則可以求出采空區(qū)側(cè)彈性區(qū)寬度L1為[6]

(2)

巷道側(cè)彈性區(qū)寬度L2為[6]

(3)

式中:η為側(cè)壓系數(shù),η=μ/(1-μ),根據(jù)實測煤體泊松比μ為0.27,計算得到η為0.37;γ為覆巖平均容重,取為25 kN/m3;hms為埋深,取為200 m,則原巖應(yīng)力γhms為5 MPa;h1為煤層厚度,取為11.78 m;h2為巷道高度,取為3.2 m;k1為采空區(qū)側(cè)煤體開采達(dá)到充分采動狀態(tài)時的側(cè)向應(yīng)力集中系數(shù),一般為2.5～3.0,較危險情況取3.0;k2為巷道側(cè)側(cè)向應(yīng)力集中系數(shù),一般為2.0～2.5,較危險情況取2.5;c為煤層內(nèi)聚力,取為2.21 MPa;φ為煤層內(nèi)摩擦角,取為34.14°，這里

代入上述具體數(shù)值,可以求出韓家洼煤礦區(qū)段煤柱中部彈性區(qū)寬度至少應(yīng)大于4.89 m,以維持煤柱具有一定的承載能力,防止其長期處于塑性狀態(tài)而被破壞。

2.2 煤柱邊緣極限平衡區(qū)寬度計算

采空區(qū)與巷道各自于煤柱兩側(cè)邊緣形成了范圍大小不同的極限平衡區(qū),故煤柱兩側(cè)邊緣的極限平衡區(qū)寬度Lp可由式(4)表示：

Lp=L3+L4.

(4)

式中:L3為采空區(qū)側(cè)極限平衡區(qū)寬度,m;L4為巷道側(cè)極限平衡區(qū)寬度,m。

運用極限平衡理論,可以求出煤柱采空區(qū)側(cè)的極限平衡區(qū)寬度L3為[11]

(5)

煤柱巷道側(cè)的極限平衡寬度L4為

(6)

式中:p為煤柱兩幫所受側(cè)向支護(hù)阻力,考慮危險情況,取為0[11]。

代入上述具體數(shù)值,可以求出煤柱兩幫極限平衡區(qū)寬度為6.91 m。若煤柱寬度恰為6.91 m,則煤柱兩側(cè)應(yīng)力峰值恰好疊加,中央無彈性區(qū),煤柱穩(wěn)定性差。

綜上所述,合理的區(qū)段煤柱寬度L可以表示為式(7)：

L=Lt+Lp.

(7)

則為使煤柱安全穩(wěn)定,保持一定的承載能力,合理區(qū)段煤柱寬度L至少應(yīng)當(dāng)為11.8 m。

3 區(qū)段煤柱合理寬度數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

為最終確定韓家洼煤礦合理區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度,結(jié)合理論計算結(jié)果,運用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬分析,根據(jù)礦井地質(zhì)條件,建立如圖4所示的數(shù)值分析模型。此次模擬提出煤柱寬度分別為9 m、12 m、15 m共三種留設(shè)方案,通過分析煤柱的穩(wěn)定性等特征,確定并驗證煤柱寬度的合理性。

圖4 計算模型Fig.4 Calculation model

模型尺寸為:長×寬×高=406 m×100 m×80 m。模型煤柱的左側(cè)為22401工作面,右側(cè)為22402工作面,模型左右表面及前后表面為固定邊界,z軸方向下表面固定,上表面為應(yīng)力邊界。22401工作面埋深約為200 m,則根據(jù)模型高度,可以得出上表面施加的垂直應(yīng)力應(yīng)為3.75 MPa。模擬過程中,先開挖22401工作面,再開挖22402工作面。模擬各巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值計算模型中巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameters in numerical calculation model

3.2 計算結(jié)果分析

當(dāng)22402工作面推進(jìn)40 m時,3種不同煤柱留設(shè)寬度超前工作面5 m處的圍巖屈服破壞特征如圖5所示。

圖5 超前工作面5 m圍巖屈服破壞特征Fig.5 Yield failure of surrounding rock at 5 m ahead of working face

由圖5分析可知,不同寬度的區(qū)段煤柱的塑性區(qū)范圍存在一定差異。當(dāng)煤柱寬度為9 m時,塑性區(qū)范圍完全貫通煤柱,中部無彈性區(qū),煤柱破壞,穩(wěn)定性較差,無法長時間支撐頂板,巷道維護(hù)困難;當(dāng)煤柱寬度為12 m時,采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)范圍較大,破壞深度達(dá)到約7.5 m,巷道側(cè)塑性區(qū)范圍較小,破壞深度達(dá)到1.5 m,煤柱中部彈性區(qū)寬度約為3 m,煤柱穩(wěn)定性較好,能夠維持巷道穩(wěn)定;當(dāng)煤柱寬度為15 m時,煤柱破壞范圍進(jìn)一步減小,采空區(qū)側(cè)破壞深度為6.5 m,巷道側(cè)破壞深度為1.5 m,中部彈性區(qū)寬度7 m,此時彈性區(qū)范圍較大,煤柱穩(wěn)定性良好。但是,留15 m煤柱會造成煤炭資源的損失,而留設(shè)12 m煤柱一定程度上也可以維護(hù)巷道穩(wěn)定,充分發(fā)揮煤柱的支撐作用。

超前工作面5 m,提取巷道高度一半位置處不同寬度煤柱的垂直應(yīng)力曲線如圖6所示。

圖6 超前5 m不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布Fig.6 Vertical stress distribution with different coal pillar widths 5m ahead of working face

分析圖6可知,不同煤柱寬度所受垂直應(yīng)力總體上呈現(xiàn)為馬鞍形,在采空區(qū)側(cè)與巷道側(cè)分別存在兩個峰值,煤柱中部區(qū)域應(yīng)力較低。三種煤柱寬度條件下,采空區(qū)側(cè)峰值點距煤幫距離較為接近,為1.6～2.0 m之間,峰值大小亦較為接近,約為11 MPa。巷道側(cè)峰值點距離煤幫距離大致在1.5～1.9 m范圍之間,較為接近。而巷道側(cè)峰值大小則存在明顯不同：當(dāng)煤柱寬度為9 m時,垂直應(yīng)力峰值為15.5 MPa;煤柱寬度為12 m時,峰值為14.3 MPa;煤柱寬度為15 m時,峰值為12.8 MPa。同時,在煤柱應(yīng)力降低的中部區(qū)域,隨著煤柱寬度的逐漸增大,其所受垂直應(yīng)力亦在降低。由此分析可知,煤柱寬度越大,應(yīng)力集中程度越弱,煤柱整體所受垂直應(yīng)力減小,煤柱穩(wěn)定性增加。

綜上所述,煤柱寬度為9 m時,塑性破壞貫通煤柱兩側(cè),且其所受垂直應(yīng)力過大,煤柱穩(wěn)定性差,無法有效支撐頂板,導(dǎo)致巷道維護(hù)困難;而當(dāng)煤柱寬度為15 m時,中部彈性區(qū)范圍較大,承受的垂直應(yīng)力較低,但煤柱寬度過寬,造成煤炭資源的浪費。因此,煤柱留設(shè)寬度選取為12 m,即可保證煤柱相對穩(wěn)定,具有一定的支撐能力,在回采過程中逐漸破壞,不發(fā)生突變失穩(wěn),維護(hù)巷道穩(wěn)定,也盡可能的節(jié)約了煤炭資源,提高了礦井經(jīng)濟(jì)效益。

4 實際應(yīng)用分析

根據(jù)理論計算與數(shù)值模擬分析,確定出韓家洼煤礦合理區(qū)段煤柱寬度為12 m,并在現(xiàn)場進(jìn)行了工程應(yīng)用。為了解巷道圍巖變形規(guī)律,證實留設(shè)12 m寬度煤柱的合理性,在距工作面60 m處的22402回風(fēng)順槽頂?shù)装寮皟蓭?運用“十”字交叉法觀測巷道表面位移。回風(fēng)順槽頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔兓€如圖7所示。

由圖7可知,隨著工作面的推進(jìn),其距測點的距離越來越近,巷道的頂?shù)装寮皟蓭鸵平坎粩嘣龃蟆Ｆ渲?頂?shù)装逡平孔畲笾禐?17 mm,兩幫移近量最大值為215 mm。在觀測初期,測點處巷道頂?shù)装逡平枯^小,增加緩慢,當(dāng)工作面推進(jìn)至距測點48 m時,頂?shù)装彘_始出現(xiàn)明顯變形,移近量增加幅度增大。而巷道兩幫則自觀測開始就有較明顯的相對移近,當(dāng)工作面推進(jìn)至距測點23 m時,頂?shù)装逡平吭龃竺黠@。

圖7 回風(fēng)順槽頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔兓€Fig.7 Roof-to-floor and two-side convergence curves in return-air gateway

通過上述現(xiàn)場觀測,22402回風(fēng)順槽頂?shù)装寮皟蓭鸵平空w上處于可控范圍內(nèi),巷道較為穩(wěn)定,證實了區(qū)段煤柱寬度留設(shè)為12 m是合理安全的。

5 結(jié)論

1)考慮采空區(qū)及巷道所形成的側(cè)向支承壓力對煤柱影響的差異,運用理論計算求出煤柱中部彈性區(qū)臨界寬度為4.89 m,煤柱兩側(cè)邊緣極限平衡區(qū)寬度共為6.91 m,則合理區(qū)段煤柱寬度在11.8 m左右較為合適。

2)超前工作面5 m時,屈服破壞貫穿9 m寬的煤柱,15 m煤柱中部彈性區(qū)寬度過大。確定了12 m為合理留設(shè)寬度。不同寬度的煤柱所受垂直應(yīng)力呈馬鞍形,且隨著寬度的增加,其所受垂直應(yīng)力減小。

3)根據(jù)現(xiàn)場觀測得到的巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平壳€,頂?shù)装逡平孔畲笾禐?17 mm,兩幫移近量最大值為215 mm,處于可控范圍內(nèi)，實證了留設(shè)12 m區(qū)段煤柱是合理可行的。