“充填體-煤柱”協同承載機理及煤柱合理尺寸留設*

任帥

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室,安徽淮南市 232000;2.煤炭開采國家工程技術研究院,安徽淮南市 232000;3.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司,安徽淮南市 232000)

0 引言

由于近年來的大規模開采,淺部煤炭資源已近枯竭,而中國埋深超過1000 m 的煤炭資源量占總量的51%,超過800 m 采深的礦井達139 處[1-3]。然而隨著開采深度逐漸增大,“三高一擾動”賦存環境和地質條件的力學現象顯現將會更加劇烈,易引發沖擊地壓、地表突然塌陷等采動災害[4],影響地面建(構)筑物安全及礦區生態環境。實踐證明,充填開采是一種能有效解決“三下”壓煤問題和控制深部開采采動損害的開采方法[5-6]。

目前實踐中應用于“三下”深部煤炭資源開采的技術主要有矸石充填、膏體充填和高水充填[7-12]。當煤層被開采后,采空區煤柱無側向應力,煤柱垂直應力增加并發生應力集中,導致煤柱發生形變。當煤柱承受載荷大于煤體強度時,煤柱發生失穩破壞,煤柱產生剝蝕及頸縮、斜切壓剪及橫向劈裂等破壞。煤柱的穩定性是影響覆巖移動及地表下沉變形的關鍵因素。通過分析煤柱穩定性主要影響因素,充填開采條件下煤柱的穩定性以及破壞失穩的機理,以此設計合理的煤柱寬度,這對于提高煤炭資源采出率和控制地表變形具有重要的作用[13-16]。

本文結合充填工作面布置特征建立充填體與煤柱承載結構力學模型,分析充填體與煤柱的相互作用關系,模擬計算充填體與煤柱在協同承載過程中的應力變化、覆巖位移和塑性破壞特征,揭示充填體與煤柱協同承載機理,探究合理的煤柱留設尺寸。

1 煤柱穩定性影響因素

煤柱的穩定性是影響覆巖移動及地表下沉變形的關鍵因素。一般來說,影響煤柱穩定性的主要因素有地質因素、煤體力學性質、采礦因素。

河南某礦的工作面埋深為820 m,工作面寬度為110 m,推進長度為1000 m。采空區的充填率為90%,工作面開采的3號煤層的平均厚度為3.0 m,構造簡單,傾角為6°。

1.1 地質因素

(1)地質構造。諸如覆巖裂隙、斷層及其破碎帶、節理等特殊地質構造改變了煤柱應力環境及煤體的完整性,影響煤柱的穩定性。該工作面斷層構造多、斷層落差大,過斷層時來壓強度大,煤柱易受壓失穩破壞。

(2)覆巖容重。采深和上覆巖層的容重決定煤柱所承受的載荷,從而影響煤柱的應力狀態。已知該工作面平均埋深為821 m,屬于深部煤層,開采期間易受高地溫、高地應力和高巖溶水壓等影響。開采擾動強烈時,煤柱易呈塑性狀態,強度降低,進而發生失穩。

(3)煤層傾角。煤層傾角決定了煤柱受力狀態,煤層傾角增大,采空區充填密實程度提高,導致煤柱下部三角區處于三向受力狀態,而上部三角區處于單向受力狀態,影響煤柱穩定性。已知工作面煤層平均傾角為6°,屬于近水平煤層,煤層傾角對煤柱穩定性的影響較小。

1.2 煤體力學性質

煤體力學性質主要包括單軸抗壓強度、彈性模量、內摩擦角等,同時還有煤柱構造,包括煤柱內部構造、煤柱與頂底板界面的黏聚力等。前者是影響煤柱自身強度的主要因素,后者由于煤柱內存在弱面,煤柱容易產生剪切破壞,降低煤柱的穩定性。該工作面煤體的抗壓強度為7.81 MPa、抗拉強度為0.63 MPa、黏聚力為3.2 MPa、內摩擦角為30°,煤體力學參數較低,易導致煤柱失穩破壞。

1.3 采礦因素

采礦因素主要指開采寬度、煤柱的寬度和高度、采空區處理方法(采空區垮落法、充填開采)等。當采出率相同時,增大煤柱留設寬度會提高其穩定性,煤柱的整體強度隨其寬度的增加而增大,隨寬高比的增加而增大。

2 “充填體＋煤柱”協同承載效應

2.1 充填前煤柱支撐作用

煤層開采后,煤柱由三向應力狀態轉變為兩向應力狀態,煤體中應力重新分布。采空區上覆巖層斷裂,地表出現沉降,下沉量為ω,如圖1(a)所示,此時煤柱沒有發生失穩。隨著開采時間的增長,煤柱兩側邊緣開始屈服、煤壁片落,有效承載面積逐漸減小,應力集中程度相應增加,而應力的增加會進一步擴大煤柱屈服區的寬度,煤柱兩側邊緣進入塑性狀態并發生屈服,煤柱由外到里發生破壞。當煤柱強度不足、無法有效承載上覆巖層的載荷時,煤柱發生整體失穩,地表發生大面積沉陷,此時下沉量為ω′,如圖1(b)所示。

圖1 未充填空區時煤柱承載示意

2.2 充填后“煤柱-充填體”支撐作用

當對煤柱兩側采空區進行充填后,由于充填體的初始強度較低,無法起到有效支撐作用,上覆巖層出現小范圍下沉。煤柱受到上覆巖層豎向壓力,發生彈塑性變形,煤柱兩側逐步受到充填體的擠壓作用。由于充填工藝限制,充填率難以達到100%,頂板出現下沉并產生裂隙,此過程表示為以下4 個階段。

第一階段(t1):頂板開始下沉但未接頂,充填體不對煤柱起側向約束作用,煤柱兩側發生塑性破壞。如圖2所示。

圖2 充填體未起支護作用

第二階段(t2):頂板繼續下沉但沒有完全接頂,煤柱仍然受到覆巖豎向壓力F的作用,此時充填體已對煤柱產生了側向支撐力Fc,對煤柱產生側向約束作用。煤柱破壞減緩,煤柱強度不再降低,上覆巖層下沉速度較第一階段的下沉速度減小,煤柱由兩向受力狀態逐漸恢復為三向受力狀態,如圖3所示。

圖3 充填體對煤柱起支護作用

第三階段(t3):頂板繼續下沉并與部分充填體接頂,同時充填體強度增高,充填體已經產生了較大的豎向支撐力,并繼續對煤柱兩側產生側向支撐力Fc。頂板巖層的下沉速度大大減緩,煤柱所受應力減少,煤柱得到進一步保護,煤柱仍然對上覆巖層起主要承載作用,如圖4所示。

圖4 充填體對頂板起支撐作用

第四階段(t4):當頂板巖層下沉到一定程度后,充填體與頂板完全接觸,充填體也達到其最大強度,對上覆巖層產生較大的支撐作用力,同時對煤柱產生側向支撐力Fc,這時煤柱與充填體共同支撐頂板巖層,維護著上覆巖層的穩定。此時煤柱、充填體、頂板巖層達到穩定狀態,如圖5所示。

圖5 充填體與煤柱共同支撐上覆巖層

因此,上覆巖層應力在充填體未與頂板完全接觸之前主要作用在煤柱上,充填體主要對煤柱起側向約束作用,抑制其屈服擴散及變形破壞;當充填體完全接頂后,充填體與煤柱形成協同承載系統,共同支撐上覆巖層。

3 充填條件下煤柱合理寬度留設

3.1 數值模型建立

以摩爾-庫侖作為破壞的準則,模型沿x方向240 m,y方向360 m,工作面寬度110 m,工作面推進長度240 m,模擬不同煤柱留設寬度下的煤柱應力分布與塑性區范圍,如圖6所示,力學參數見表1。模型四周及底部固定,上部施加等效載荷20.5 MPa。

表1 煤巖力學參數

圖6 數值計算模型

本次模擬共設計7組方案,分別探究煤柱寬度為10,15,20,25,30,35,40 m 的情況下煤柱及圍巖的應力、塑性破壞、頂板下沉情況。

3.2 數值模擬結果分析

當兩工作面回采與充填后,煤柱及圍巖應力重新分布,不同寬度煤柱的應力分布如圖7所示。

當煤柱寬度由10 m 增加到40 m 時,煤柱應力峰值分別為55,50,45,45,42,42,40 MPa。當煤柱寬度超過30 m 時,煤柱內應力呈馬鞍形分布,主要集中在煤柱內部距煤柱與充填體交界面4 m 處。

不同寬度煤柱的塑性區分布如圖8所示。

當煤柱寬度為10 m 時,煤柱內塑性區貫通,充填體對覆巖起主要支撐作用;當煤柱寬度在15～40 m 時,煤柱內塑性區范圍為3.5 m,主要發生拉剪破壞。當煤柱寬度為15,20 m 時,充填體與覆巖接觸處破壞范圍較大,主要發生剪切破壞;當煤柱寬度由25 m 增大至40 m 時,充填體破壞范圍基本不再增加。

當上下區段工作面回采充填結束后,隨著煤柱寬度的增加,頂板最大下沉量不斷減小;當煤柱寬度為30 m 及以上時,頂板下沉量波動范圍較小(33～36 cm);當煤柱寬度低于30 m 時,最大下沉量約為40 cm。

從提高資源采出率、保證地表生態環境、保持“煤柱充填體”穩定性等方面綜合考慮,區段煤柱的合理寬度應設計為30 m。

4 充填工作面區段煤柱應力監測

為得到該工作面推進過程中煤柱應力變化特征,在軌道巷煤柱側幫安裝鉆孔應力計。鉆孔應力計設置在工作面軌道巷距切眼80 m 處,現主要根據6 m 淺測點和18 m 深測點的監測結果進行分析,應力變化曲線如圖9所示。

監測結果顯示,在工作面推進過程中,80 m 處煤體應力逐漸升高,當工作面分別推進到48 m 和52.5 m 時,淺測點與深測點煤體應力先后達到應力峰值。根據80 m 處煤體應力變化,可得煤柱側向支承壓力應力分布,如圖10所示。

圖10 煤柱支承壓力

圖10中a—a剖面平行于工作面布置,工作面推進48 m 時,a—a剖面煤柱內應分布如圖11 所示。由圖11可知:

圖11 煤柱內應力分布

(1)煤柱內應力發生積聚,靠近煤柱兩側出現應力峰值,應力分布呈馬鞍形;

(2)煤柱由外向內應力逐漸升高,應力從0陡增至9.9 MPa,達到峰值,峰值點距煤壁6 m,應力集中系數為1.71,峰值點之后應力緩慢降低至3.72 MPa。

綜上所述,工作面軌道順槽煤柱應力在工作面推進48 m 之后達到了峰值,此時監測點距工作面距離為32 m,應力峰值達到9.9 MPa。深測點的應力值基本小于淺測點應力值,采空區穩定后應力變化幅度較小。

5 結論

(1)結合河南某礦充填工作面地質開采條件,探究了地質條件、煤柱強度、采礦因素對工作面區段煤柱的穩定性影響特征,研究了充填空區前后煤柱及“充填體煤柱”對頂板的支撐作用。

(2)通過FLAC3D 對充填開采條件下不同寬度煤柱的穩定性進行探究,結果表明,當煤柱寬度為30 m 及以上時,煤柱所受豎向應力在40～43 MPa,塑性區范圍穩定,基本頂最大下沉量為33～35 cm。從提高資源采出率、保證地表生態環境、保持“充填體＋煤柱”穩定性等方面綜合考慮,確定合理區段煤柱寬度為30 m。

(3)工作面區段煤柱鉆孔應力監測表明,超前工作面32 m 為峰值應力區,豎向應力為9.9 MPa,應力集中程度較小,表明“充填體＋煤柱”協同承載有利于降低煤柱應力集中程度,提高煤柱穩定性。