特厚煤層綜放工作面小煤柱留設寬度研究

楊勇

(山西煤炭進出口集團 洪洞陸成煤業有限公司, 山西 洪洞縣 041699)

礦井位于山西省境內,現主采山西組4#煤層,煤層平均厚度為8.69 m,為特厚煤層,14100工作面位于井田東部,工作面西側為實體煤區域,東部為14101工作面采空區,14100工作面走向長度為1700 m,傾向長度為250 m,4#煤層直接頂為細砂巖,巖層厚度為6.5 m,基本頂為高嶺質泥巖,巖層厚度為18.45 m,直接底為泥巖,巖層平均厚度為4.25 m,基本底為炭質泥巖,巖層平均厚度為10.15 m,14100工作面層位穩定,為全區可采的穩定煤層,工作面采用綜合機械化放頂煤回采工藝,采用全部垮落法管理頂板,14100工作面布置如圖1所示。

圖1 采掘工作面布置

1 相似模擬實驗研究

相似模擬實驗能夠通過建立相似地質力學模型,較為真實客觀地反映巖體工程結構和力學特性,再現施工過程中巖體的變化特征,在礦山壓力監測、覆巖變形破壞、邊坡穩定性等方面得到廣泛應用[1-2],為研究14100工作面回采推進期間上覆巖層的運動特征和側向應力分布規律,進而確定14100工作面護巷煤柱留設的合理寬度,現采用二維平面應力實驗平臺對14100工作面回采期間圍巖運動規律進行實驗研究。

1.1 模型的建立

根據14100工作面地質條件,建立相似模擬實驗平臺,平臺規格為2.5 m×1.5 m×0.2 m,相似模型規格為2.5 m×1.25 m×0.2 m,如圖2所示。

圖2 二維平面應力實驗平臺

1.1.1 相似條件

(1)應變相似比尺Cε=1。

(2)內摩擦角相似比尺C f=1。

(3)摩擦系數相似比尺CΨ=1。

(4)泊松比相似比尺Cμ=1。

(5)幾何相似比尺C L=1/120。

(6)容重相似比尺Cr=1/1.5。

(7)應力相似比尺Cσ=Cr×C L=1/180。

(8)位移相似比尺Cδ=C L×Cε=1/120。

(9)強度相似比尺C RC=Cσ=1/180。

(10)時間相似比尺Ct=1/10.95。

14100 工作面可采長度為250 m,因此,在相似模型中模擬推進長度為2.5 m,14100工作面平均推進速度為6 m/d,在相似模型中模擬開挖速度為3.41 c m/h。

1.1.2 相似材料及其配比

按照高容重、低強度、低變形模量的要求,結合實驗平臺的實際條件,選擇河沙、石灰、石膏、水作為相似原材料進行復合材料的配制,各巖層的分層材料選用粗云母粉,模擬材料配比見表1。

表1 模擬材料配比參數

1.1.3 加載方法

14100 工作面埋深在500 m左右,采用相似模型無法按照幾何尺寸進行完全模擬,因此,在模型頂部安置加壓氣缸,用于施加載荷,補償巖層缺失的重力,因14100工作面地質構造應力影響較小,故不進行水平應力補償,垂直應力補償裝置如圖3所示。

圖3 外力補償裝置

1.1.4 測試系統

在相似模型內沿4#煤層頂板、上覆巖層中部和煤層底板布置三層測線,其中,4#煤層頂板、上覆巖層中部每層測線上布置11個間距為220 mm的測點,煤層底板測線上布置8個間距為250 mm的測點,在測點位置預埋壓力盒,用于應力監測,同時,在煤層頂板上覆巖層中布置兩個位移基點,用于位移監測,壓力測試儀采用TS3866測量系統。測站布置如圖4所示。

圖4 測站布置

1.2 相似模擬實驗結果

1.2.1 頂板活動特征

(1)頂板未充分垮落。隨著工作面的推進,工作面上部堅硬頂板逐漸出現離層、變形、下沉的現象,當工作面推進70 m時,采空區頂板開始垮落,隨著工作面的持續推進,頂板周期式形成懸臂梁結構,在達到極限跨距時垮落,整體上看,工作面回采推進期間,頂板懸臂梁結構成動態形式不斷前移,上覆頂板結構相對完整,頂板未充分垮落[3]。頂板未完全垮落時的結構特征如圖5所示。

圖5 頂板未充分垮落時的結構特征

(2)頂板充分垮落。隨著工作面的推進,上覆巖層出現分層垮落,破斷的塊體形成動載作用于下方垮落的巖體上,并在工作面的推進中逐漸發生回轉下沉變形,破斷塊體相互擠壓,形成具有一定承載力的結構,隨著采空區范圍的增大,堅硬頂板結構周期性破斷失穩,引起強動載現象,致使垮落的塊體呈現松散狀態,此時,塊體之間相互擠壓作用變小,承載結構破壞,上位堅硬頂板垮落失穩引起的圍巖活動范圍大、強度高,頂板充分垮落時的結構特征如圖6所示。

圖6 相似模擬實驗的最終觀測結果

1.2.2 上覆巖層的運動特征

隨著下部煤層的開采,煤層上覆圍巖依次出現離層、彎曲下沉、斷裂垮落、壓實的過程,上覆圍巖下沉量隨著煤層開采的程度逐漸增加,巖層之間的離層量被不斷壓縮,直至壓實形成具有一定聯合運動的結構[4],厚煤層上覆巖層下沉量隨工作面推進距離變化如圖7所示。

圖7 頂板巖層下沉量曲線

總體來看,厚煤層回采后,上覆巖層相差量不大,其下沉趨勢一致,其中,下位堅硬頂板與軟弱夾層中下部分層保持同步協調運動,軟弱夾層上分層、上位堅硬頂板及其鄰近的上覆軟弱巖層保持同步協調運動。

1.2.3 側向支承應力分布規律

工作面回采推進后,煤層頂板破斷失穩,覆巖垮落形成壓力拱結構,上覆圍巖重量逐漸向工作面兩側轉移,在相鄰煤壁上形成側向支承壓力,工作面推進300 m后,對采空區兩側壓力進行測定,結果如圖8所示。

圖8 頂板巖層壓力監測曲線

由圖8可以看出,從采空區到煤柱深部,支承應力呈現先急劇增加,抵達峰值后,平緩下降并趨于穩定的趨勢,支承應力峰值區域位于距采空區煤壁23 m附近,最大值為25.5 MPa,支承應力在距采空區50 m之后逐漸穩定,支承應力在22 MPa左右,此時,支承應力仍高于15.5 MPa的原巖應力,因此,14100工作面采動影響范圍大于50 m。

采空區煤壁處支承應力約為9.5 MPa,隨著距采空區距離的增加,煤體支承應力逐漸增加,至距采空區12 m的位置處支承應力接近原巖應力,因此,距采空區0～12 m的區域內屬于應力降低區,14100工作面輔運順槽巷道寬度為5 m,為保證順槽留設煤柱位于應力降低區,需保證煤柱留設寬度不大于7 m。

2 理論計算

根據極限平衡理論,對14100工作面支承壓力峰值進行計算。應力平衡區寬度[56]X0按式(1)計算:

式中,m為煤層厚度,取9 m;A為側壓系數,取0.23;φ0為煤層內摩擦角,取28°;C0為黏結力,取5 MPa;K為應力集中系數,取1.6;γ為巖層容重,取5000 N/m3,H為煤層埋深,取560 m;P x為對煤幫的支護阻力,取0.4 MPa。

經計算,應力平衡區寬度X0為2.04 m。

煤柱合理寬度的計算模型如圖9所示。

圖9 窄煤柱寬度計算模型

煤柱合理寬度B按式(2)計算:

式中,B為煤柱寬度,m;X1為煤柱穩定系數對應的寬度,取0.44～1.32 m,X2為錨桿長度,取2.4 m。

經計算,煤柱合理留設寬度B介于4.88～5.76 m之間。

3 數值模擬

3.1 模型的建立

采用有限差分軟件FLAC3D建立數值分析模型,模型尺寸為500 m×300 m×150 m,力學模型為“摩爾-庫倫”型,根據工作面埋深計算,模型上部載荷為12.4 MPa,回采巷道模擬斷面為5.0 m×3.8 m,巖層的物理力學參數見表2。

表2 巖層力學參數

3.2 模擬結果及分析

14100 工作面回采期間垂直應力分布云圖、曲線規律分別如圖10、圖11所示。

圖10 垂直應力分布云圖

圖11 垂直應力曲線

分析圖10可知,14100工作面推進后,在采空區兩側煤體上形成了支承應力影響區,其中,在采空區邊緣至煤體深部11.5 m的范圍內,應力低于15.5 MPa的原巖應力,為應力降低區,超過11.5 m的區域范圍,垂直應力高于原巖應力,為應力增高區,在煤體距采空區距離為21 m時,出現應力峰值,最大應力為25 MPa,應力集中系數為1.55,峰值區過后,煤體支承應力逐漸降低并趨于平緩至原巖應力,整體來看,14100工作面采動影響區大于70 m,為降低留設煤柱支承壓力,考慮將煤柱布置在低應力區,除去巷道自有尺寸,故確定煤柱留設寬度不高于6 m。

數值模擬與相似模擬、理論計算結果基本吻合,最終確定14100工作面煤柱留設寬度為5 m。

4 結論

(1)通過建立相似模型,再現了14100工作面回采推進期間頂板活動特征、上覆巖層的運動特征和側向支承應力分布規律,確定距采空區0～12 m的區域內屬于應力降低區,煤柱留設寬度應不大于7 m。

(2)采用極限平衡理論,計算得出14100工作面應力平衡區寬度為2.04 m。煤柱合理留設寬度應介于4.88～5.76 m之間。

(3)采用FLAC3D軟件進行數值分析計算,確定在采空區邊緣至煤體深部11.5 m的范圍內為應力降低區,為降低留設煤柱支承壓力,煤柱留設寬度應不高于6 m。

(4)綜合相似模擬、理論計算、數值模擬3種手段,確定14100工作面合理煤柱留設寬度為5 m。