黃陵二號煤礦厚煤層留巷圍巖變形特征分析

馬曉博,高文博,鮑銀輝,張宏升

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

工作面煤層回采過程中,區段煤柱、工作面多巷布置隔離煤柱的留設寬度較大時,將會降低礦井的煤炭資源回收效率[1-2]。在厚煤層開采條件下,煤柱的留設寬度對于巷道的穩定性也有直接影響[3-5]。在以往的研究過程中,國內外學者通過煤柱強度理論、極限平衡理論、數值模擬方法[6-9]重點研究了煤柱留設在薄煤層中的應用,并已發展為成熟的技術體系。然而對于厚煤層的留巷支護穩定性仍存在較多問題[10-12]。因此,以黃陵二號煤礦厚煤層為例,通過數值模擬與工程實測方法探究煤柱留巷的圍巖變形特征,以豐富厚煤層煤柱留設技術。

1 煤柱留設關鍵問題分析

煤柱留設方式按照礦壓的分布規律主要分為2種情況。一種是上區段回采結束后,礦壓重新分布并達到平衡狀態,在實體煤層中形成從低壓向高壓的過渡區域,巷道根據煤柱承壓性能布置在過渡區域的適合位置。另一種是上區段開采之前下區段順槽同時掘進成巷,然而當巷道掘進與工作面回采同時進行,將會導致強烈的應力耦合作用。因此,煤柱留設尺寸與留設方式需根據礦井實際情況進行確定。

煤柱的留設寬度與礦山壓力顯現狀態、煤層的頂板巖性特征、矸石堆的充填程度、圍巖的支護結構等具有直接或間接的關系。目前在我國的巷道煤柱留設尺寸主要為3～6 m,然而在厚煤層開采條件下,此種留設尺寸無法進行有效護巷。因此,為確定黃陵二號煤礦厚煤層條件下煤柱的合理留設尺寸,采用數值模擬方法建立了不同煤柱尺寸的數值模型進行計算分析,同時輔助礦山壓力監測設備對礦壓的顯現規律進行評判與研究。

2 煤柱留巷數值模擬建模

為探究不同煤柱留設尺寸下的巷道圍巖變形規律,對黃陵二號煤礦303工作面輔運巷與采空區進行建模。為消除數值模擬建模的邊界效應,模型設計尺寸為巷道與采空區尺寸的3～5倍,根據工程地質條件,建立了210 m×120 m(寬×高)的二維模型,以2 m為間隔點,設置煤柱尺寸范圍為4～30 m,共計11組數值計算模型,研究頂底板、兩幫壁應力值與位移演化規律。模型底部沿垂直方向設置固定邊界,其他各面均沿水平方向設置為固定邊界。水平、垂直和豎向位移均為0。模型上部施加邊界載荷,按500 m埋深均勻推算等效巖體自重壓力,數值模擬的巖性參數見表1。

表1 數值模擬巖性參數Table 1 Numerical simulation lithology parameters

3 煤柱留設參數數值模擬分析

由于模型較多,為簡化分析,選取具有代表性的3組模型對圍巖應力分布狀態進行探究,分別為10 m、14 m、18 m煤柱尺寸模型。

如圖1與圖2所示,當巷道的煤柱留設寬度為10 m時,在巷道的右上方存在明顯的應力集中現象,煤柱的右下方邊角與右上方邊角存在應力集中區,具有發生單側壓剪破壞的風險。當煤柱尺寸增加至14 m時,煤柱的承壓性能顯著提高,煤柱全區域內承受的支承壓力降低,圍巖的穩定性較好,有利于圍巖的日常維護。當煤柱的寬度為18 m時,采空區覆巖應力與巷道頂底板的應力相比于煤柱寬度為14 m時發生了二次升高,表明煤柱承受的壓力向兩側進行了轉移,煤柱的應力明顯降低,但其向兩側巷道與采空區分散的應力增加,不利于巷道頂底板的維護。

圖1 不同煤柱寬度下圍巖垂直荷載云圖Fig.1 Vertical load cloud diagram of surrounding rock under different coal pillar width

圖2 不同煤柱寬度下圍巖水平荷載云圖Fig.2 Horizontal load cloud of surrounding rock under different coal pillar width

為探究不同煤柱尺寸對圍巖應力與位移的影響。繪制4～30 m煤柱尺寸模型的應力峰值與位移峰值演化曲線如圖3、圖4所示。從圍巖的應力峰值點演化趨勢中可以看出,當煤柱尺寸在6 m時,應力達到極大值點。煤柱尺寸在12～18 m時,水平和垂直方向的荷載變化小,處于荷載低谷位置,隨著煤柱尺寸的繼續增加變化幅度較為平穩。當煤柱尺寸為4～8 m時,巷道頂板與兩幫變形已達到最大收斂,從10～18 m煤柱,兩幫可以控制收斂由大向小逐漸轉變,18～25 m煤柱,收斂量由小向大轉變。綜上可知,根據圍巖位荷載和變形量的比較,煤柱尺寸在12～18 m變化值范圍最小,煤柱尺寸在此區段最為合理。最終確定黃陵二號煤礦303輔運巷的煤柱留設尺寸為15 m。

圖3 不同煤柱尺寸下應力峰值點曲線Fig.3 Stress peak point under different coal pillar sizes

圖4 不同煤柱尺寸下位移峰值點曲線Fig.4 Displacement peak point under different coal pillar sizes

4 工作面礦壓實測

為探究黃陵二號煤礦煤柱留巷的礦壓顯現規律,驗證煤柱留設尺寸的合理性,對錨索的應力狀態、頂板的離層量與巷道圍巖的現場變形特征進行監測。經過數據篩選,選取2月28日—5月21日的數據進行分析。2月28日開始監測時,303工作面距離四聯巷450 m。5月21日結束監測時,推采過四聯巷200 m,圖5為不同測點位置的錨索荷載監測變化曲線。工作面距四聯巷220 m左右的時,錨索測力計開始變化,逐漸表現為應力上升的趨勢,說明回采動壓超前影響范圍為220 m左右。黃陵二號煤礦303工作面距四聯巷-50～75 m,錨索所受應力出現快速攀升,上升幅度約為100 kN。當工作面回采過后50 m,錨索所受應力趨于穩定狀態,表明黃陵二號煤礦303工作面的煤柱留巷的穩定性滿足圍巖的支護控制需求。

圖5 錨索應力監測曲線Fig.5 Anchor cable stress monitoring curve

為進一步驗證煤柱留巷尺寸在黃陵二號煤礦303工作面的適用性,對頂板的離層量進行檢測,以工作面開切眼位置為原點,在距離開切眼2 m、15 m、22 m、33 m位置分別布置離層儀進行監測,繪制頂板離層量隨工作面推進距離的演化曲線如圖6所示。隨著工作面距離四聯巷的距離變化,在-300 m與-100 m距離時,頂板的離層量發生變化,證明此時頂板巖層已受到擾動應力的影響,當工作面靠近四聯巷時,頂板離層量發生快速攀升,在工作面推過四聯巷50 m時,頂板離層量達到穩定狀態,演化趨勢與圖5所示的錨索應力監測曲線較為相似。由于工作面回采巷道采掘擾動的影響,在不同的監測位置,均存在由巷道開挖導致的10～20 mm的初始離層,隨著測點位置的不同,頂板的離層量幅度也具有顯著差異,整體表現出先上升后下降的趨勢,在15 m測點時離層量達到峰值,深基點的離層量約為75 mm,淺基點的離層量約為67 mm。在33 m測點時,離層量達到最小值,深基點的離層量約為22 mm,淺基點的離層量約為17 mm。

圖6 頂板離層量監測曲線Fig.6 Monitoring curve of roof delamination volume

圖7為巷道圍巖支護變形圖。可以看出,聯絡巷的圍巖變形程度較低,同時支護結構幾乎不產生變形。煤柱的圍巖變形程度較低,支護結構的銹蝕較為嚴重,但不影響支護結構的穩定性。采面側受工作面回采過程中礦山壓力的擾動程度較高,圍巖的變形程度較高。

圖7 巷道圍巖支護變形圖Fig.7 Deformation diagram of roadway surrounding rock support

綜上分析可知,煤柱側支護采用端錨長錨桿與自旋錨注管全長錨固結合,效果非常顯著,能夠較好地控制圍巖。下一步可以繼續采用這種方式。采面側采用端錨長錨桿與短玻璃鋼錨桿結合,控制效果明顯不如煤柱側,尤其是玻璃鋼錨桿的控制能力明顯不足。后期二次礦壓可能會破壞部分玻璃鋼錨桿。是否需要再次補強還要根據二次礦壓強度和監測分析決定。護幫鋼筋網片的銹蝕十分嚴重,3～5個月網片鋼筋銹蝕就會脫皮掉渣,而鍍鋅鐵絲網短期防護效果顯著,長期銹蝕有突變性。因此,下一步需要采取能夠防腐的網片。黃陵二號煤礦應用煤柱留巷的303輔運巷圍巖具有一定程度的變形,但不影響工作面的安全生產,驗證了厚煤層煤柱留巷技術的可行性。

5 結語

(1)以2 m為間隔點,對煤柱尺寸為4～30 m的11組數值模型進行計算,舉例分析了10 m、14 m、18 m煤柱尺寸模型的圍巖應力分布狀態,當巷道的煤柱留設寬度為10 m時,具有發生單側壓剪破壞的風險。當煤柱尺寸為14 m時,煤柱全區域內承受的支承壓力降低,圍巖的穩定性較好。當煤柱尺寸為18 m時,煤柱承受的壓力向兩側進行了轉移,巷道與采空區承受的應力增加。

(2)對4～30 m的煤柱尺寸的應力峰值與位移峰值進行分析。當煤柱尺寸在6 m時,達到應力的極大值點;煤柱尺寸在12～18 m時,處于荷載低谷位置,隨著煤柱尺寸的繼續增加變化幅度較為平穩;煤柱尺寸在12～18m變化值范圍最小,最終確定煤柱尺寸為15 m。

(3)對錨索應力與頂板離層量進行監測,回采動壓超前影響范圍為220 m。工作面距離四聯巷-50～75 m范圍為礦壓快速顯現階段。工作面回采過后50 m,錨索應力與頂板離層量趨于穩定,驗證了黃陵二號煤礦303工作面的煤柱留設尺寸滿足圍巖的支護控制需求。