孤島工作面防水煤柱留設寬度模擬分析及工程應用

于振子,李 昂 ,韓泰然 ,張 波

(1.中國平煤神馬控股集團有限公司,河南 平頂山 467099; 2.煉焦煤資源綠色開發全國重點實驗室,河南 平頂山 467099; 3.西安科技大學,陜西 西安 710054)

遺留煤柱往往形成孤島工作面,開采面臨著諸多難題,如相鄰已采面形成的側向老空積水極易突破面間煤柱塑性破壞區引起水患,增大采面涌水量;面間煤柱寬度留設不足造成回采巷道兩幫及頂底板變形嚴重,巷道維護難等。因此,孤島工作面間煤柱留設寬度合理性是回采巷道開鑿前亟待解決的難題。國內外學者針對防水煤柱寬度開展了大量的工作并取得了豐富的理論成果和實踐方法[1-3],其中最典型的研究方法有理論分析、基于相似材料的物理模型試驗和數值模擬分析等[4-12]。施龍青等[13]根據工作面煤層上方垂直應力分布及傳播特征建立斷層防水煤柱力學模型,推導出防水煤柱計算公式,并通過孫村和小云煤礦驗證了計算公式的合理性;師維剛等[14-15]根據煤柱物理狀態將煤柱分為塑性區、水壓破壞區和彈性核區(有效隔水區寬度),并建立力學模型對各分段寬度進行了求解;許延春等[16-18]對閉坑礦井與相鄰生產礦井之間煤柱的安全性展開研究,通過模擬兩礦井相鄰工作面之間煤柱的塑性區貫通情況對煤柱安全性進行了分析;段軍等[19-20]人采用理論分析與數值模擬相結合的方法,分析不同煤柱寬度時垂直應力的演化規律,進而得到合理的掘巷煤柱寬度;王睿等[21-23]針對厚松散層下防水煤柱的留設問題,提出了“保護層透水系數”概念,用于判斷保護層厚度是否需要加大,同時采用FLAC3D模擬軟件中流固耦合模型進行了水壓和礦山壓力作用下煤柱的破壞研究,實現了煤柱的合理留設;劉耀蔚[24]以陽煤一礦沿空掘巷為工程背景,采用數值模擬與工業實踐相結合的方法,得出沿空掘巷煤柱的合理寬度;任建峰等[25]采用UDEC分析了斜溝煤礦18105超長走向孤島綜采面在不同區段煤柱寬度條件下,巷道圍巖在掘進期和回采期的應力分布和位移特征。但由于不同煤礦地質構造、地層巖性、含水層分布和斷層性質存在諸多差異性,并不能依據單一的方法和理論公式確定防水煤柱的寬度。

1 礦井及工作面水文地質條件

平煤二礦地理位置優越,位于河南省平頂山市新華區,只距離城市中心1 km,礦井位于沙河和汝河之間的平頂山煤田,四周均有凹陷區,包括西北的寶郟凹陷,東北的襄臨凹陷和南邊的魯葉凹陷。平頂山煤田的主體構造是李口復式向斜構造,呈NW-SE走向,由高角度正斷層和斷塊隆起環繞,形成了一個相對獨立的水文地質單元。而平煤二礦則是李口向斜構造南翼的水文地質亞區,鍋底山斷層東部水文地質單元的一部分。該區域煤層開采主要的含水層是寒武系灰巖的巖溶裂隙含水層,它屬于巖溶裂隙的弱至強富水含水層。煤層頂部的砂巖孔隙裂隙含水層被確認為弱富水含水層,而煤層底部的石炭系寒武系灰巖巖溶裂隙含水層則是弱至中等的富水含水層。5號煤層的主要水源來自于頂部的砂巖孔隙裂隙含水層,砂巖含水層孔隙裂隙不是很發達,補給條件較差,因此其富水性較弱,采空區積水主要來自于該層。

平煤二礦5號03孤島工作面東側為02工作面采空區、西側為04工作面采空區,計劃留設25 m防水煤柱,02、04工作面開采寬度分別為100 m和150 m,已于10年前回采完畢。03孤島采面采寬100 m,頂板由較堅硬的中細砂巖、中細砂巖、粉砂巖和粗粒砂巖構成,中間夾薄層4煤,采面底板為砂質泥巖、細粉砂巖、石灰巖等組成,煤層埋深315～362 m,平均341 m,煤層厚度變化較小,平均2.6 m,傾角小于8°,03采面回采巷道采用錨網支護形式,幫部加固范圍2 m,工作面長壁綜采采煤,全部垮落法控制頂板。

2 煤柱寬度理論分析

煤柱寬度通過煤柱載荷估算法[11-16]計算得出,煤柱所承受的載荷由采空區上覆巖層載荷及煤柱上方巖層載荷組成,煤柱寬度可由式(1)—式(3)計算得出。

(1)

煤柱極限載荷計算公式(單位面積):

(2)

煤柱極限強度計算公式:

(3)

式中,B為煤柱寬度;D為煤柱側開采寬度,取100 m;H為埋深,取338.5 m;δ為上覆巖層垮落角,按經驗值取28°;Rc為煤單軸抗壓強度,取24.5 MPa;h為上覆巖層裂隙帶高度,取33 m;γ為平均容重,取24.6 kN/m3。

代入相關參數計算可得B≥24 m。

3 孤島煤柱留設合理性數值分析

本文應用FLAC3D有限差分析軟件模擬5號03孤島工作面煤柱留設15 m和25 m兩種工況下圍巖變形規律和煤柱彈塑性區進行對比分析[5-10]。

3.1 建立數值模型

根據二礦03孤島工作面和相鄰采面實際工程地質條件,簡化模擬計算模型,02、03、04工作面模擬采寬為100、100、150 m,03采面兩側留設煤柱命名為A煤柱和B煤柱,留設寬度相等,為15 m或25 m。回采巷道兩側煤體留有2 m支護區。02、03采面為傳統架棚支護,工作面邊回采邊撤棚,故由于02、03采面回采幫部無加強支護。

2種工況(工況1:15 m煤柱寬度;工況2:25 m煤柱寬度)的數值模型高度為130 m、寬度530 m,按照巖性相近的煤巖體歸為一類巖性進行簡化處理,分為20層結構,解決鉆孔巖石物理力學性質指標,模型所選材料按從上向下進行排序,數值模型巖石力學性質參數見表1。工況1和工況2采用分步開挖方式來模擬孤島工作面在巷道掘進和03工作面回采期間受到的相鄰采空區的影響情況,具體的數值計算模型如圖1和圖2所示。

圖1 15 m煤柱寬度下巖層結構數值模型(工況1)Fig.1 Numerical model diagram of rock structure under 15 m coal pillar width(working condition 1)

圖2 25 m煤柱寬度下巖層結構數值模型(工況2)Fig.2 Numerical model diagram of rock structure under 25 m coal pillar width(working condition 2)

表1 數值模型巖石力學性質參數Tab.1 Rock mechanics parameters for numerical model

模擬煤層埋深約340 m,2種工況開挖和支護方式:第1步先開回采100 m傾長的02工作面和150 m傾長的04工作面;第2步開鑿03采面兩側回采巷道,且留設15 m和25 m區段煤柱;第3步回采100 m傾長的03孤島工作面。

3.2 數值模擬結果分析

本文模擬的重點在于監測02、04工作面回采前后A煤柱和B煤柱塑性區寬度、位移場和應力場;回采巷道圍巖頂底板和兩幫變形量、塑性區寬度、位移場和應力場;03工作面回采后圍巖煤柱塑性范圍的演化深度及位移和應力變化特征。

3.2.1 02和04面回采后圍巖應力、位移和塑性規律分析

總體來看,工況1和工況2在未開采03工作面和回采巷道前,圍巖應力場、位移場和塑性區變化形態并無差別。

(1)隨著02和04工作面回采,頂板不斷下沉、底板隆起,當頂底板應力全部釋放,頂板下沉貼底,此時在工作面頂部形成拱形應力環,04工作面長度大于02工作面,所形成拱形應力環高度較高,圖中綠黃色較淺,也說明長采面頂板應力釋放更加充分;在工作面兩側煤幫處由于頂板無法完全接觸底板而形成該位置頂底板應力卸載區,而采面兩側煤體受到支承壓力作用,支承壓力峰值向煤體內部移動,兩個工作面支承壓力峰值系數為1.8～2.0。

(2)開采長度為150 m的04工作面頂板冒落高度及波及的深度遠大于02工作面,04面波及已到模型底部的中粒砂巖和細砂巖,采空區中部對應的模型頂部沉降量達到1.72 m,而02面僅有1.53 m;另外04面采空區中部頂部下沉量達到2.48 m,而02面為2.15 m,相比之下02面采空區中部底板隆起量率大于04面。

(3)02面和04面沿走向方向的頂板破壞區域主要集中兩側頂部,表現出拉剪切破壞形式,采空區頂底板則以拉伸破壞為主,2個采面頂板塑性區均發育到粗粒砂巖層位,冒落高度達到33 m;工作面兩側煤體塑性破壞區深度達到10～11 m,破壞深度較大與巷旁采用架棚支護有關。

3.2.2 03面兩側回采巷道開挖后圍巖應力、位移和塑性規律分析

如圖3—圖5所示,分別為03面兩側回采巷道開挖后圍巖應力場、位移場和塑性區變化規律。總體來看,工況1和工況2在03工作面回采巷道開鑿后由于受到留設煤柱寬度大小的影響而表現出不同的變化形態。

圖3 03面兩側回采巷道開挖后圍巖應力場模擬Fig.3 Simulation of the stress field of surrounding rock after excavation of mining tunnels on both sides of the 03 face

圖3表明,隨著03工作面回采巷道采掘,頂底板均表現出明顯的應力變化,巷道直接頂底板以拉應力為主;但所留設的A、B煤柱受到02和04采空區及回采巷道開挖雙重影響,形成了明顯的支承壓力升高區,15 m煤柱對應的頂板形成了一個較大的拱形壓力區,相比之下25 m煤柱由于留設寬度較大,并未形成明顯的支承壓力升高區,這也使得工況2回采巷道維護成本小于工況1;從圖4中也可以看出,2種工況下回采巷道頂底板變形量存在差異,工況2的頂板下沉量和底板隆起量較小;從圖5中可看出:對于工況1而言,回采巷道頂板和底板的塑性破壞深度不大,僅波及到了直接頂底板,這與基本頂底板巖性較好有關;回采巷道兩側雖然有2 m的錨桿支護區,但靠近03采面一側的巷旁煤體塑性破壞范圍達到2～3 m,這與現場實際情況相符。

圖4 03面兩側回采巷道開挖后圍巖位移場模擬Fig.4 Simulation of the displacement field of surrounding rock after excavation of mining tunnels on both sides of the 03 face

圖5 03面兩側回采巷道開挖后圍巖塑性區模擬(工況2)Fig.5 Simulation of the plastic zone of surrounding rock after excavation of mining tunnels on both sides of the 03 face

3.2.3 03面回采后圍巖應力、位移和塑性規律分析

03面回采后圍巖應力場、位移場和塑性區變化規律如圖6—圖8所示。

圖6 03面回采后圍巖應力場模擬Fig.6 Simulation of stress field of the surrounding rock after coal winning of the 03 face

從圖6中可以看出,03工作面回采后A、B煤柱的應力場形態差別較明顯,對留設15 m留設A、B煤柱頂底板形成較顯著的等值應力圈,而25 m煤柱中部頂底板應力變化較小,這部分屬于彈性核區范圍,工況1下煤柱內部形成的支承壓力峰值區域幾乎形成一體,峰值壓力較大25 m煤柱大。

從圖7位移場變化中查以看出,小煤柱的工況1下03面采空區頂板下沉量大于25 m煤柱,這與A、B煤柱被較大的礦山壓力壓裂導致煤柱沉降量較大有關。

圖7 03面回采后圍巖位移場模擬Fig.7 Simulation of displacement field of the surrounding rock after coal winning on the 03 face

從圖8塑性區模擬中可以看出,工況1中的A、B煤柱頂部破壞深度和破壞影響范圍大于寬煤柱的工況2,這與小煤柱內部較大的支承壓力關系密切;另外,工況1條件下的A、B煤柱均呈現出塑性破壞區,內部無彈性核區,而工況2的煤柱內部存在2～5 m寬度的彈性核區,這有利于03工作面采空區兩側煤柱仍可抵抗來自02、04面老空水的威脅,工況2的工作面排水量小于工況1,模擬實驗數據顯示,在03孤島面的采掘過程中,預留出的25 m防水煤柱都能有效保留一定厚度的彈性煤柱核區,能有效阻止鄰近的開采空區的水侵入到采礦作業區域。

圖8 03面回采后圍巖塑性區模擬Fig.8 Simulation of the plastic zone of the surrounding rock after coal winning of the 03 face

4 現場實測

4.1 檢測儀器與設備

現場煤柱內部塑性區深度監測采用RSM-SY7智能聲速測試儀,它是由計算機、高壓發射與控制、程控放大與衰減、A/D轉換與采集四大部分組成的一體化設備。

4.2 檢測結果與分析

依據理論和模擬實驗結果,03孤島面開采與相鄰采空區之間最終留設25 m防水煤柱,鉆探施工隊對03工作面回采巷道防水煤柱進行鉆孔專業,現場施工監測鉆孔4個,并對實驗結果進行分析。

03采面不同深度鉆孔圍巖內部聲波波速如圖9所示,4個鉆孔的聲波波速—孔深曲線圖特征基本一致,且其變化規律按照離孔口距離的不同可分為3個區域。①第1段區域為0～2.6 m,該區間4個鉆孔內的波速都隨著深度的增加呈線性增加,表明該處的巖層都受到了不同程度的破損,且離孔口越近,破損越嚴重,按照防水煤柱的基本理論可知,該區間的煤巖已基本失去承載能力,該區間的寬度即為屈服區寬度;②第2段區域為2.6～6.0 m,該區間4個鉆孔內的波速都隨著深度的增加而呈拋物線形,但其速度變化區間較小,這種情況是由該區間的煤巖壓力變化造成的;③第3段區域,當深度超過6 m時,4個鉆孔內的波速隨著深度的增加而保持不變,表明該區域煤巖的物理力學性質保持不變,煤巖未受損害,按照防水煤柱的基本理論可知,該區域即為彈性核區。

圖9 03采面不同深度鉆孔圍巖內部聲波波速Fig.9 Acoustic wave velocity inside the surrounding rock of the drill hole at different depths of the 03 mining face

由以上分析可以看出,03工作面在回采前的巷道巷旁煤柱內的屈服區寬度約為2.6 m,該結果與模擬實驗結果2～3 m相一致,至03工作面全部回采完畢,并未發生采空區突涌水事故,采面涌水量均在設計范圍內,巷道變形量小。

因此,留設的25 m煤柱滿足現場實際需要,可將該方法推廣至平頂山礦區乃至類似地質條件下其他礦井。

5 結論

(1)模擬實驗結果表明,留設25 m防水煤柱在巷道開鑿和孤島面回采過程中,均可留有一定厚度的彈性煤柱核區,可有效抵抗相鄰采空區水浸入回采作業空間,保障煤柱長期穩定,而留設15 m不利于煤柱體的穩定,不宜于巷道維護,增大支護難度。

(2)現場采用工況2的實施方案,并在回采巷道巷旁煤柱采用智能聲速煤炭工程測試儀對煤體內部彈塑性區寬度進行了實測,該結果與模擬實驗結果相一致,屈服區寬度可控,留設的彈性核區可使回采巷道長期保持安全穩定。