瑤渠煤礦大巷間煤柱尺寸確定及支護優化*

路 貝,張 波,張 浩,3,解盤石,3

(1.神木市煤礦安全執法大隊,陜西 榆林 719300;2.西安科技大學 能源學院,陜西 西安 710054;3.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室,陜西 西安 710054)

0 引言

目前我國煤炭開采仍面臨煤炭資源采出率低的問題,提高煤炭資源采出率,減少一次性資源損失仍是工程界亟待解決的技術難點[1]。煤層賦存及地質因素、采煤方法的因素、管理因素等都會影響煤炭的采出率[2]。煤柱留設一直以來是煤礦中常用的護巷方法,留設煤柱應該在保證巷道穩定性同時,使煤柱寬度盡可能的小,因此,留設合理尺寸的煤柱,對提高資源采出率和保障安全生產都有重要的意義。

近年來,廣大學者采用理論分析、數值計算、物理模擬以及現場實測等方法對沿空掘巷煤柱寬度優化及支護設計[3-6]、固液耦合作用下隔水煤柱合理尺寸確定[7-9]、沖擊地壓對煤柱寬度的影響[10-11]、大巷煤柱參數的優化設計[12-15]等問題開展了研究,并極大地改善了煤炭開采效率。但是受剝蝕區等地質條件的影響,在巷道掘進過程中需要及時避讓,其保護煤柱尺寸也會發生改變,因此,亟需開展大巷過剝蝕區煤柱合理尺寸及圍巖穩定性研究。

以瑤渠煤礦西采區Ⅱ回風大巷為研究對象,采用理論計算、數值計算等方法,研究不同工況下(煤柱寬度、支護條件)大巷圍巖的應力、位移和塑性區分布規律,以期為類似條件煤層開采提供理論參考。

1 工程概況

瑤渠煤礦位于神木市解家堡鄉大柏堡村,主要可采煤層5-2煤層的底板標高變化在+1 092～+1 128 m,煤層平均傾角1°左右,煤層埋深0～108.38 m,平均67.80 m,埋深淺并且構造簡單。煤層平均厚度1.9 m,由北向南逐漸變薄,較為穩定,含1～2層夾矸,夾矸厚度0.05～0.3 m。頂板主要為細粒砂巖、粉砂巖,其次為砂質泥巖;底板主要為粉砂巖、砂質泥巖,其次為細粒砂巖,煤巖物理特性見表1。

表1 煤巖物理特性Table 1 Physical characteristics of coal and rock

大巷沿5-2煤層底板布置,大巷間保護煤柱寬30 m。現西采區Ⅱ回風大巷由北向南掘進過程中,由于前方存在剝蝕區,需向東南方掘進避開剝蝕區,因此西采區Ⅱ回風大巷與西采區Ⅱ輔運大巷之間煤柱合理尺寸的留設及巷道的支護是維護巷道圍巖穩定的關鍵。大巷布置如圖1所示。

圖1 大巷布置Fig.1 Large roadway layout

2 大巷間煤柱合理尺寸留設理論計算

巷道掘進后,圍巖內部應力重新分布,且應力影響范圍近似為巷道斷面半徑的6倍,巷道間距D為

6R

(1)

式中,R為大斷面巷道半徑,m;r為小斷面巷道半徑,m。

由于西采區Ⅱ回風大巷、輔運大巷斷面均為矩形,寬(l)×高(h)依次為5 m×2.6 m、5 m×2.8 m,巷道間距計算過程中可將巷道斷面等效為圓狀,則兩巷等效圓直徑d1、d2為

(2)

由上式計算可得,R=1.06 m,r=1.02 m,結合式(1)可得D滿足

6×1.06 m6.36 m

(3)

為進一步確定煤柱寬度,應兼顧煤柱承載極值狀況,而煤柱承載包含煤柱覆巖及煤柱側采空懸露巖層轉移到煤柱上的部分重量,煤柱單位面積載荷即平均應力σ為

(4)

式中,p為總荷載,kN;γ為覆巖體積力,kN/m3;H為埋藏深度,m;δ為覆巖垮落角,(°);D為煤柱寬度,m;B為巷道寬度,m。

煤柱強度決定其承載后穩定性狀態,而煤柱強度又受煤體抗壓強度、尺寸(高、寬)及構造特征的影響,可由Obert-Dwvall/Wang公式得

(5)

式中,R煤柱為煤柱抗壓強度,MPa;Rc為煤抗壓強度,MPa;h為煤柱高度,m。

巷道煤柱穩定的關鍵是確保承載及強度極限平衡,即必須保證σ≤R煤柱,因此煤柱寬度為

(6)

式中,δ為垮落角,取71°(基巖移動角);H為埋深,67.8 m;B為巷道寬度,5 m;h為巷道高度,2.6 m;γ為覆巖體積力,25 kN/m3;Rc為煤抗壓強度,15.6 MPa。通過式(6)計算可得煤柱寬度為9.23 m。

3 不同煤柱尺寸數值模擬及分析

3.1 數值模型建立

按照瑤渠煤礦實際情況借助FLAC3D數值計算軟件,構建5-2煤層大巷間煤柱尺寸數值計算模型(圖2),模型尺寸為225 m×175 m×40 m(長×寬×高)。采用Mohr-Coulomb本構模型,模型底部限制垂直位移,頂部施加覆巖等效載荷,側部限制水平移動,整個模型由95 056個單元組成,包括158 661個節點。模型煤柱尺寸分別為8 m、10 m、12 m、14 m。煤巖力學參數見表2。

圖2 數值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model

表2 煤巖主要力學參數Table 2 Main mechanical parameters of coal and rock

3.2 不同煤柱尺寸下巷道圍巖垂直應力演化規律

巷道掘進后頂底板均會應力釋放,且頂板卸荷范圍大于底板(圖3),巷道兩側煤柱易應力集中,且煤柱內應力集中程度較邊界煤體大。當煤柱尺寸由14 m逐漸減小到8 m時,煤柱內的應力集中現象由兩側向中部發展。當煤柱尺寸分別為14 m、12 m、10 m、8 m時煤柱內的最大垂直應力分別為1.381 MPa、1.406 MPa、1.479 MPa、1.465 MPa,最大垂直應力呈現先增大后減小的趨勢。這是由于隨著煤柱尺寸的減小,煤柱內壓力越大,當煤柱寬度為6 m時,其內部已經發生破壞便產生卸荷。

圖3 不同煤柱尺寸下巷道圍巖垂直應力云圖Fig.3 Vertical stress nephogram of roadway surrounding rock under different coal pillar sizes

3.3 不同煤柱尺寸下巷道圍巖位移演化規律

巷道掘進后,巷道頂底板均會出現顯著變形(圖4),隨著回風大巷與輔運大巷之間煤柱尺寸減小,巷道頂板的最大下沉量由1.653×10-3m增加至1.860×10-3m,下沉量增加了12.52%。而巷道底鼓量由0.876×10-3m增加到0.888×10-3m,底鼓量增加了1.36%,增幅較小,因此,維持巷道頂板的穩定是掘進期間的重要工作。

圖4 不同煤柱尺寸下巷道頂底板位移量Fig.4 Displacement of roadway roof and floor under different coal pillar sizes

3.4 不同煤柱尺寸下巷道塑性區分布規律

巷道掘進后圍巖主要以剪切破壞為主,如圖5所示,巷道兩側煤柱的塑性區范圍略大于頂底板塑性區范圍,其中頂底板塑性區主要發生在巷道的邊角處,大致形成“蝶形”。隨著煤柱尺寸由14 m減小到8 m時,回風大巷與輔運大巷圍巖塑性區往橫向擴張,當煤柱尺寸為14 m和10 m時,掘進過程中兩巷圍巖塑性區不會貫穿產生疊加,此時煤柱比較穩定;當煤柱尺寸為10 m時,煤柱內塑性區范圍進一步擴張,煤柱兩側塑性區在中部區域恰好形成相切,此時為煤柱承載的臨界值;當煤柱尺寸為8 m時,掘進回風大巷時煤柱內部的塑性區會產生交匯,整個煤柱產生破壞,煤柱承載能力較差。

圖5 不同煤柱尺寸下巷道圍巖塑性區云圖Fig.5 Cloud of plastic zone of roadway surrounding rock under different coal pillar sizes

綜上所述,當煤柱尺寸為8 m時,煤柱變形破壞嚴重,承載能力較差,不利于巷道圍巖的穩定性控制;當煤柱尺寸為10 m時,煤柱內會產生變形破壞,但其內部塑性區未貫通整個煤柱,仍存有一定的彈性核區域,具有一定的承載能力;煤柱尺寸為12 m和14 m時,煤柱內部破壞區域較小,穩定性較好,但隨著煤柱寬度的增大,其資源浪費嚴重。結合煤柱寬度理論計算結果可知,西采區Ⅱ大巷間煤柱最小合理尺寸為10 m。

4 巷道圍巖支護優化

4.1 支護參數確定

根據對瑤渠煤礦西采區Ⅱ回風大巷與輔運大巷之間煤柱尺寸的理論計算及模擬分析,確定煤柱合理寬度最小為10 m。在此基礎上,主運大巷與輔運大巷均采用原有支護參數,用正交模擬確定回風大巷錨桿與錨索數量、間排距等參數。

瑤渠煤礦西采區Ⅱ回風大巷原始支護方式如圖6(a)所示,根據模擬結果,當回風大巷與輔運大巷之間煤柱寬度為10 m時,確定西采區Ⅱ回風大巷支護參數如圖6(b)所示,巷道全斷面共布置12根高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,其中頂部錨桿參數直徑為18 mm,長度為2 100 mm,呈“矩形”布置,間排距900 mm×1 000 mm,頂板每排6根錨桿,錨桿外露長度為30 mm。側幫錨桿由每幫2根增加至3根,也呈“矩形”布置,錨桿直徑為18 mm,長度為1 800 mm,間排距均為800 mm×1 000 mm。頂部錨索采用φ17.8 mm×7 100 mm型鋼絞線錨索,間排距為1.6 m×2.5 m,每排3根,每根錨索采用3卷Z2360錨固劑錨固,錨索錨固力不小于100 kN,錨索外露長度為200 mm。

4.2 優化支護效果驗證

根據所確定的支護優化參數,進行數值模擬驗證,從巷道圍巖應力、位移及塑性區演化規律分析如圖7所示。由數值模擬現象可得,當西采區Ⅱ回風大巷與輔運大巷之間煤柱寬度為10 m時,通過原有支護條件與優化支護后比較,原有支護方案下巷道圍巖應力極值為1.470 MPa,優化后應力極值為0.912 MPa;巷道頂底板變形量由1.685×10-3m、0.861×10-3m分別減小至0.873×10-3m、0.443×10-3m,巷道圍巖變形量明顯減小;優化支護后巷道圍巖塑性區范圍顯著減小,巷道頂部破壞區厚度由3.590 m減小至2.125 m,煤柱內破壞厚度由4.162 m減小至3.254 m。綜上可知,在支護方式優化后,巷道圍巖應力、位移及塑性區均有所改善,能夠有效的控制巷道周邊圍巖的運動,減小巷道變形,達到較好的支護效果,保證巷道的整體穩定性。

圖7 支護效果對比Fig.7 Comparison of supporting effect

5 結論

(1)考慮巷道圍巖應力影響帶以及巷道間煤柱的穩定性對煤柱合理尺寸進行理論計算,確定煤柱留設尺寸應大于9.23 m。

(2)建立不同煤柱尺寸的數值計算模型,煤柱尺寸由14 m減小至8 m時,巷道圍巖內的垂直應力、位移及塑性區范圍呈增大趨勢。當煤柱尺寸為10 m時,煤柱內部具有一定的彈性核區域,能夠滿足巷道圍巖的穩定性。綜合考慮,煤柱最小合理尺寸為10 m。

(3)煤柱尺寸為10 m時,幫部3根錨桿支護后巷道圍巖應力、位移和塑性區均有顯著改善,能夠有效控制巷道圍巖變形。