安陽煤礦煤柱破壞機理及控制技術*

陳光林,周文凱,郭彥會,馮曉輝,周興龍,閆醫(yī)慧

(1.陜西澄合合陽煤炭開發(fā)有限公司,陜西 渭南 715300;2.西安科技大學 能源學院,陜西 西安 710054)

0 引言

中國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展離不開煤炭資源的加持。煤炭開采深度、覆巖自重、覆巖巖性構造等因素影響下,在開采過程中會使巷道產(chǎn)生嚴重變形,重則危及人身財產(chǎn)安全[1-3]。其中,作為礦井生產(chǎn)系統(tǒng)主要樞紐之一的回采巷道一旦發(fā)生變形失穩(wěn),后果是會使整個生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓,并對井下生產(chǎn)人員的人身安全造成危害,嚴重阻礙著礦產(chǎn)資源開采的可持續(xù)發(fā)展。此外,護巷煤柱一直是煤礦的主要護巷方法,煤柱寬度對巷道的穩(wěn)定性有著重要的影響,使資源浪費降到最低。留煤柱護巷必須保證巷道服務期內煤柱穩(wěn)定,才能使巷道易于維護。煤柱越寬越穩(wěn)定,但隨著對巷道圍巖應力分布進一步了解,發(fā)現(xiàn)護巷煤柱的寬度與巷道維護效果并不成正比,再加上較寬的煤柱,會降低采煤率。所以,對于一個礦井來說,確定煤柱大小的問題急需解決[4-7]。留設煤柱大小與回采巷道支護費用、維護費用以及煤炭資源回采率等都有很大的關系。如何在保證巷道穩(wěn)定性的情況下盡可能多地回收煤炭資源,煤柱寬度合理確定,是各學者亟待解決的問題。因此,合理開發(fā)利用煤炭資源,減少事故的發(fā)生,不僅能維護社會穩(wěn)定,更能促進國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展。

安陽煤礦煤炭賦存地質條件優(yōu)越,資源蘊藏量大、煤質優(yōu),是我國西北地區(qū)重要的煤炭生產(chǎn)基地,對維持和促進我國經(jīng)濟建設具有重要意義。在國家加大力度實施統(tǒng)一規(guī)劃開采并重點強調經(jīng)濟、安全雙效開采的大背景下,區(qū)段煤柱寬度設計依據(jù)不足,有可能造成巷道煤柱側失穩(wěn),增大安全隱患及返修成本。因此,為了最大限度地保障巷道的安全與可靠性,以安陽煤礦5號煤層為主要研究對象,開展相鄰工作面區(qū)段煤柱變形破壞機理研究,進行煤柱留設穩(wěn)定性評價,提出合理煤柱寬度和高效支護方案,為礦井回采巷道煤柱寬度留設、采掘工程布置、巷道支護提供依據(jù),同時能提高煤炭資源采出率、改善礦井安全生產(chǎn)條件,提高礦井經(jīng)濟效益,具有巨大的社會經(jīng)濟價值[8-10]。通過研究認識和總結綜采工作面開采過程中覆巖關鍵塊體對煤柱穩(wěn)定性的影響規(guī)律,避免煤柱災變失穩(wěn)事故的發(fā)生,為有效提高煤炭資源采出率、改善礦井安全生產(chǎn)條件提供依據(jù)。安陽煤礦目前工作面護巷煤柱留設尺寸為30 m,其穩(wěn)定性及寬度需要進行研究,項目實施將提高礦井資源回收率,提高經(jīng)濟效益。

1 工程概況

陜西澄合合陽煤炭開發(fā)有限公司安陽煤礦設計生產(chǎn)能力1.20 Mt/a,煤炭資源總量87.63 Mt,設計可采儲量39.72 Mt,礦井設計服務年限為23.6 a;設計主采5號煤層,采用長壁放頂煤采煤法,垮落式管理頂板,5號厚煤層采用綜合機械化放頂煤采煤工藝。

礦井地質條件較復雜,巷道圍巖松軟,礦壓顯現(xiàn)劇烈,巷道圍巖變形嚴重。煤礦目前工作面間留設寬度為30 m,煤柱寬度設計依據(jù)不足,過去工作面都是根據(jù)經(jīng)驗留寬,缺乏科學性和針對性,造成煤炭資源損失,巷道在掘進和回采過程中因支護難而造成經(jīng)濟損失,重則煤柱失穩(wěn)引發(fā)圍巖災變失穩(wěn)的安全事故。所以需要進一步研究工作面間合理寬度,為有效提高煤炭資源采出率、改善礦井安全生產(chǎn)條件提供依據(jù)。因此,確立以下研究目標:認識和總結綜采工作面開采過程中覆巖關鍵塊體對煤柱穩(wěn)定性的影響規(guī)律,避免煤柱災變失穩(wěn)事故的發(fā)生,改善礦井安全生產(chǎn)條件提供依據(jù);對工作面護巷煤柱破壞機理,巷道變形破壞機理以及優(yōu)化煤柱寬度等進行現(xiàn)場調研、理論分析和數(shù)值模擬,提出合理的支護控制技術。

2 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性理論分析

區(qū)段煤柱所處的巷道圍巖結構力學性質影響著巷道區(qū)段煤柱變形與破壞的發(fā)展及其穩(wěn)定性[11-12]。巷道圍巖是由復雜形狀巖塊和結構面組成的地質復合體,這說明巷道圍巖在各種復雜應力環(huán)境下會出現(xiàn)各種復雜的變形破壞。

2.1 巷道頂板及兩幫穩(wěn)定性特征

區(qū)段煤柱起著本工作面皮帶巷和下工作面回風巷的保護作用,該區(qū)段煤柱的變形破壞決定著皮帶巷和回風巷頂板的穩(wěn)定性。單從巷道圍巖所處的空間應力狀態(tài)來分析,在圍巖壓力的作用下,其各個部分會呈現(xiàn)出不同受力狀態(tài),因而巷道頂板及兩幫的穩(wěn)定狀態(tài)往往會出現(xiàn)明顯的差異性。

當區(qū)段煤柱所處頂板為不穩(wěn)定的煤巖體的巷道時,在礦山壓力作用下,巷道頂板會發(fā)生明顯的彎曲、下沉現(xiàn)象,這將直接導致區(qū)段煤柱穩(wěn)定性發(fā)生破壞并直接影響到區(qū)段煤柱的穩(wěn)定,使不穩(wěn)定頂板進一步彎曲下沉將發(fā)生斷裂和破碎,因此,必須通過加強對其周圍不穩(wěn)定結構的支護來保持區(qū)段煤柱穩(wěn)定;當巷道兩幫特別是煤柱側幫部為不穩(wěn)定煤巖體時,巷道煤柱變形主要表現(xiàn)為在上覆巖層作用下,巷道煤柱發(fā)生明顯位移,此時巷道煤柱側變形主要發(fā)生在煤柱中上部,其余區(qū)域位移現(xiàn)象不明顯。

2.2 區(qū)段煤柱在圍巖應力作用下穩(wěn)定性特征

在切向集中應力作用下,區(qū)段煤柱首先發(fā)生破壞的是外部圍巖,接著煤柱內部逐漸被破壞,破壞截止在煤柱某深度三向應力平衡狀態(tài)下,此時,在煤柱內部會形成大小主要與圍巖強度和原巖應力有關的圍巖松動范圍。當原巖應力相同時,圍巖強度大小與松動圈大小成反比;當圍巖強度相同時,原巖應力與松動圈大小成正比。

2.3 區(qū)段煤柱受重復采動影響圍巖變形特征

在進行巷道掘進時,合陽煤礦將區(qū)段煤柱起到了相鄰兩工作面的保護煤柱的作用,在經(jīng)歷兩側巷道掘進影響階段、一次采動影響階段及二次采動影響階段后方可掘進。

煤柱一側采空時的彈塑性變形區(qū)及鉛直應力σy的分布情況如圖1所示。采空區(qū)上覆巖層應力將會在工作面推進后發(fā)生重新分布,至此,采空區(qū)邊緣實體煤會形成破碎區(qū)(Ⅰ)、塑性區(qū)(Ⅱ)、彈性應力增高區(qū)(Ⅲ)、原巖應力區(qū)(Ⅳ),離煤柱邊緣越遠煤柱承載能力越強,煤柱體的承載能力與支承壓力在離煤柱邊緣某個位置處于極限平衡狀態(tài)。

圖1 一側采空煤柱體的彈塑性變形區(qū)Fig.1 Elastoplastic deformation zone of one side goaf coal pillar

圖2～圖4為兩側工作面均采空時煤柱內部應力分布情況,當煤柱兩側均已采空時,煤柱支承壓力影響距離及煤柱寬度兩者協(xié)同影響煤柱內部應力分布。當煤柱寬度是支承壓力影響距離的2倍多時,煤柱內部載荷分布均勻,應力集中現(xiàn)象仍然發(fā)生在煤柱邊緣,以上4個區(qū)域仍然呈從煤柱邊緣到煤柱中部分布。

圖2 兩側采空時煤柱彈塑性變形區(qū)Fig.2 Elastoplastic deformation zone of coal pillar during goaf on both sides

圖3 兩側采空時煤柱彈塑性變形區(qū)Fig.3 Elastoplastic deformation zone of coal pillar during goaf on both sides

圖4 兩側采空時煤柱彈塑性變形區(qū)Fig.4 Elastoplastic deformation zone of coal pillar during goaf on both sides

當煤柱寬度小于2倍的煤柱支承壓力影響距離時,由于支承壓力的疊加,煤柱中央應力較大,整個煤柱中部呈馬鞍形分布。

當煤柱支承壓力影響距離小于煤柱寬度時,由于煤柱邊緣支承壓力出現(xiàn)疊加,導致中部的壓力顯著變大,使得煤柱中部嚴重變形破壞。

3 安陽煤礦區(qū)段煤柱寬度理論分析

區(qū)段巷道周圍巖體結構的力學性質及穩(wěn)定狀態(tài)影響著煤柱的變形破壞以及穩(wěn)定性。各種復雜形狀巖塊和結構面組成了巷道圍巖,由此可見,各種復雜應力環(huán)境使得巷道圍巖的變形破壞呈現(xiàn)各種復雜現(xiàn)象。

3.1 煤柱穩(wěn)定性的判別方法

安全系數(shù)法認為當煤柱所受載荷≥煤柱抗壓強度時,煤柱將發(fā)生完全破壞,失去承載能力,判別準則為

F=σc/Sp

(1)

式中,F為安全因子,一般當F≥1.5時,煤柱是安全的;σc為煤的單軸抗壓強度,取值20.4 MPa;Sp為實驗測得煤柱最大集中載荷,N/m。

塑性區(qū)寬度法認為煤柱的破壞是由外向內發(fā)展,煤柱完全破壞是由于煤柱破壞到達煤柱中心,所以區(qū)段煤柱設計不僅要滿足強度要求,還必須保證煤柱具有一定寬度的彈性核區(qū)。根據(jù)相關專家學者的現(xiàn)場實測及理論計算結果表明,對于軟弱巖石核區(qū)率應大于或等于0.65,即穩(wěn)定煤柱的核區(qū)率應為

(2)

式中,ρ為煤柱核區(qū)率;W為煤柱寬度,m;rp為煤柱屈服區(qū)寬度,m。

3.2 相關參數(shù)確定

3.2.1 煤柱極限強度的確定

工程中普遍采用Irwin提出的塑性約束系數(shù)δ,即

δ=σzs/σs

(3)

式中,σzs為工程巖體的極限應力,MPa;σs為工程巖體材料的單軸屈服應力,MPa。

對于煤柱由于其應力應變的復雜性,以及研究的局限性,可采用如下公式確定煤柱峰值應力的塑性系數(shù)

δ=2.729(ησc)-0.271

(4)

式中,σc為實驗室煤樣單軸抗壓強度,MPa;η為煤的流變系數(shù)。

將上述兩公式整理可得煤柱極限強度計算公式

σzl=2.729(ησc)0.729

(5)

將σc=13.91 MPa,η=0.6帶入式(5),可得安陽煤礦煤柱極限強度σzl=12.81 MPa。

3.2.2 煤柱屈服區(qū)寬度的確定

根據(jù)庫侖準則推導的煤柱屈服區(qū)寬度計算公式如下。

(6)

式中,rp為煤柱屈服區(qū)寬度,m;T為煤柱高度,m;d為開采擾動因子,一般為1.5～3.0;β為屈服區(qū)與核區(qū)界面處的側壓系數(shù),一般等于煤體泊松比;C為煤層與頂?shù)装褰佑|面的粘聚力,一般為0.1～20 MPa;φ為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦角,一般為1°～35°;σzl為煤柱極限強度,MPa;Px為煤壁的側向約束力,MPa。

煤柱側向約束力由于所研究煤柱兩側為采空區(qū)而Px=0,則上式簡化為

(7)

選取相關參數(shù)如下:設計采高M=5.15 m;開采為機械化開采,擾動因子d=1.8;屈服區(qū)與核區(qū)界面處的側壓系數(shù)β=0.15;煤層與頂?shù)装褰佑|面的粘聚力C=2.15 MPa;煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦角φ=29°;煤柱極限強度σzl=12.81 MPa。

將參數(shù)代入(7)得屈服區(qū)寬度rp=4.35 m,于是根據(jù)式(2),可得煤柱的寬度為W≥24.91 m。

于是理論計算的煤柱寬度為25 m,此時煤柱核區(qū)率=65.2%,煤柱能保持長期穩(wěn)定。

依據(jù)塑性區(qū)寬度方法,穩(wěn)定煤柱的核區(qū)率應不小于0.65,可計算出煤柱合理寬度為24.91 m,考慮到實際煤柱留設尺寸與設計差異大,應有一定富裕系數(shù),故理論上計算的煤柱寬度為25 m,此時煤柱核區(qū)率ρ=65.2%,煤柱能保持長期穩(wěn)定。

4 煤柱破壞數(shù)值模擬分析研究

4.1 模擬方案的建立

由煤礦開采引起的覆巖運動和破壞,不僅是實體的不斷破壞,也是時間上的不斷破壞,數(shù)值模擬能夠更加精確地解決上述實際問題。隨著計算機技術的不斷發(fā)展,探索出許多數(shù)值模擬的方法,用于地下結構工程中,并便于做現(xiàn)場測試的巖土工程中。本次是利用分析巖土專用模擬軟件FLAC3D,結合現(xiàn)場實測、理論分析、相似模擬試驗的結果研究煤層群開采合理留設區(qū)段煤柱寬度,為煤礦安全開采提供指導意見。

由于FLAC3D具有普遍應用性,能夠對巖土和支護結構建立較為符合實際情況的立體模型,同時也可以進行巖土工程上的設計計算和結果模擬,使模擬材料屈服變形后應對狀況時效果較好。可以比較合理的模擬一些巖土力學方面的問題,目前這款軟件在建筑、煤礦、水利、道路橋梁、地鐵等方向已經(jīng)被廣泛地應用到模擬分析中,為建設提供了重要的指導。同時,FLAC3D擁有強大的后期處理能力,可以使用能反映實體的多面體來處理三維模型,而不需要更嚴格的限制條件,就可以進行建模運算;針對不同的實體,在實體變形破壞時,選擇劃分實體的網(wǎng)格相應變形移動的不同建模方法;有限差分法不需要通過“顯式”和時間(顯式)逐漸改變對方進程來分析多個小矩陣合成一個整體矩陣;FLAC3D可以用同樣的解法法則來解決不同解法模型的本構關系;FlacFish是FlacFish 3D的一個編程語言,需求者可以根據(jù)實際情況自行設計編程,建立函數(shù)關系和計算模型。

本次數(shù)值模擬,擬對在不同煤層開采情況下的覆巖應力、位移、塑性區(qū)的變化規(guī)律進行模擬分析,判斷開采時煤柱的安全可靠性。由于工作面、巷道的開挖,其顯現(xiàn)程度、峰值位置和分布范圍差別較大,為全面掌握覆巖的活動變形情況和應力分布規(guī)律,按照上述建模原則,建立了本次課題的三維模型。

模型范圍:整個幾何模型的確定包括一部分底板,將頂板的協(xié)調性、煤層(煤柱)的協(xié)調性和底板的變形都考慮到一起。所以計算模型尺寸270 m×300 m×370 m(長×寬×高)。

邊界約束條件:模型的左、右及下邊界均為位移固定約束邊界,上邊界為自由邊界。

網(wǎng)格離散原則:分得越細越好,但不可能把網(wǎng)格分得很細,因為模型解算的范圍比較大,電腦容量也有限制。本模型劃分為978 750個單元,5號煤層高度為4 m,煤層沿走向布置,工作面傾向長度定為200 m,煤層傾角選取值為0°,建立模型如圖5所示。

圖5 安陽煤礦區(qū)段煤柱原始計算模型Fig.5 Original calculation model of section coal pillar in Anyang Coal Mine

4.2 模擬結果分析

模型建立后,首先對模型1513和1512工作面間的運輸巷道和回風巷道進行回采,然后回采1512工作面使其形成采空區(qū),分析5號煤區(qū)段煤柱為30 m時原有支護方案下回風巷道的垂直應力、垂直位移和塑性區(qū)變化情況。其次模擬5號煤1513工作面回采過程中,區(qū)段煤柱保持25 m時,對回風巷道新支護方案進行驗證,分析圍巖的垂直應力、垂直位移和塑性區(qū)變化情況。最后,在支護方案優(yōu)化情況下,模擬區(qū)段煤柱分別取不同尺寸時垂直應力分布、垂直位移和塑性區(qū)變化情況,從而確定合理的煤柱寬度。故數(shù)值模擬方案通過模擬2個不同寬度煤柱條件下的回風巷道的應力分布及位移演化規(guī)律,模擬方案為:選取30 m、25 m、20 m 3種煤柱寬度,分析比較1513工作面未回采和1512工作面回風巷道圍巖應力分布和煤柱圍巖相對變形量等參數(shù),選擇煤柱尺寸較小、沒有相對集中的采場圍巖應力分布和相對較小的巷道、煤柱圍巖變形量的方案。從而確定煤柱的合理寬度,并對優(yōu)化后應力分布的合理性進行驗證,模擬結果如圖6所示。

圖6 1513工作面回采期間不同寬度煤柱應力及塑性區(qū)分布實體圖Fig.6 Actual diagram of different width coal pillar stress and plastic zone distribution during mining period of 1513 working face

5 結論

(1)兩側已采空的煤柱受力分布主要與煤柱受支撐壓力的遠近有關,煤柱受彈塑性變形模型的建立也與煤柱受寬度影響的大小有關。

(2)基于(Spatially Mobilized Plane,SMP)屈服準則計算可得煤柱合理寬度為24.91 m,考慮到實際煤柱留設尺寸與設計差異大,應有一定富裕系數(shù),故理論上計算的煤柱寬度為25 m,此時煤柱核區(qū)率ρ=65.2%,煤柱能保持長期穩(wěn)定。

(3)利用數(shù)值模擬軟件對區(qū)段煤柱的破壞規(guī)律、演化機制進行演示,模擬結果顯示,煤柱縮小至25 m后,能夠保證巷道圍巖的結構穩(wěn)定性,進一步驗證理論分析所得結果的可信度,也為同類礦區(qū)區(qū)段煤柱的留設提供了科學依據(jù)。