王博 馮宇 宋猛

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

特厚煤層綜放工作面區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化研究

王博 馮宇 宋猛

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

為了提高資源回收率和防止煤柱失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓，在特厚煤層綜放工作面區(qū)段留設(shè)合理煤柱寬度。首先采用極限平衡理論計(jì)算煤柱留寬應(yīng)大于19 m；其次，通過數(shù)值模擬得到4種不同寬度煤柱的塑性區(qū)分布范圍，初步得到煤柱合理寬度為20 m；最后，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法對(duì)煤柱的側(cè)支承壓力、巷道表面位移和錨桿(索)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果進(jìn)一步表明，煤柱寬度為20 m時(shí)中部存在一定寬度的彈性核，此時(shí)巷道和圍巖變形小，煤柱較穩(wěn)定。從經(jīng)濟(jì)效益和回采安全的角度考慮，某礦合理區(qū)段煤柱寬度應(yīng)為20 m。

區(qū)段煤柱寬度 極限平衡理論 側(cè)支承壓力 彈性核 數(shù)值模擬 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

區(qū)段煤柱是指走向長(zhǎng)壁工作面之間留設(shè)的保護(hù)煤柱，其主要作用是隔離采空區(qū)和維護(hù)巷道[1]。區(qū)段煤柱寬度是沿空巷道布置系統(tǒng)中最重要的因素，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一是煤柱寬度決定了下一工作面沿空巷道的位置；二是煤柱寬度直接影響著巷道的整體穩(wěn)定性[2-4]。合理的區(qū)段煤柱尺寸不僅可以減小巷道的變形，減少巷道維護(hù)工程量，而且還可以減少煤炭資源損失[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[6-8]：對(duì)大量實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)理統(tǒng)計(jì),歸納推理得出不穩(wěn)定圍巖條件下區(qū)段煤柱尺寸；運(yùn)用礦山壓力規(guī)律留設(shè)各種煤柱的方法及經(jīng)驗(yàn)公式；通過數(shù)值模擬研究巷道的圍巖變形，確定煤柱合理尺寸；根據(jù)巖體的極限平衡理論推導(dǎo)出區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的寬度計(jì)算公式；從理論上推導(dǎo)三維應(yīng)力狀態(tài)下煤柱塑性區(qū)寬度的計(jì)算公式。上述研究主要是通過1種或者2種因素確定煤柱合理尺寸，對(duì)多因素、多角度、多方法確定和驗(yàn)證特厚煤層綜采工作面區(qū)段煤柱合理寬度的研究較少。本文以某礦913、914工作面為研究對(duì)象，綜合采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)多因素實(shí)測(cè)等方法對(duì)特厚煤層綜放工作面區(qū)段煤柱合理寬度進(jìn)行研究，以期為類似工程的參數(shù)確定提供理論依據(jù)和參考。

1 工程概況

某礦采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。913、914為9煤工作面，走向長(zhǎng)1 315 m，傾斜長(zhǎng)250 m，地面標(biāo)高為1 236.7～1 301.2 m，井下標(biāo)高為994.9～1 014.6 m，平均采深為250 m。煤層厚13.5～14.7 m，平均厚13.6 m，傾角為0°～7°，平均為4°，硬度系數(shù)為1.5～2，直接頂為1.2～3.2 m厚的泥巖及砂質(zhì)泥巖，基本頂為0.8～4.7 m厚的中砂巖，直接底為6.26 m厚的中粒砂巖，基本底為3.78 m厚的細(xì)砂巖。工作面巷道斷面為5.0 m×3.5 m矩形。

2 合理煤柱寬度理論分析

當(dāng)煤柱兩側(cè)工作面采空或者正在回采時(shí)，煤柱會(huì)受到兩側(cè)支承壓力的影響，形成馬鞍形的應(yīng)力分布特征[9]。由于煤柱邊緣應(yīng)力集中，從煤柱邊緣到中央可分為破裂區(qū)A、塑性區(qū)B和彈性區(qū)C(彈性核)，見圖1。

圖1 煤柱彈塑性區(qū)分布

當(dāng)煤柱寬度W小于煤柱兩側(cè)形成的塑性區(qū)寬度2R時(shí)，煤柱內(nèi)兩側(cè)塑性區(qū)貫通，彈性核消失，煤柱將失去承載力，不利于巷道維護(hù)、防沖。因此，區(qū)段煤柱中央需要保持一定寬度的彈性核。對(duì)一次采全高的綜放工作面區(qū)段煤柱，彈性核寬度可取2倍的巷道高度h[10]，所以綜放工作面區(qū)段煤柱寬度W≥2x0+2h。通過極限平衡理論[11]可以推算得到塑性區(qū)寬度x0為

(1)

式中，m為煤層開采厚度，取14 m；A為側(cè)壓系數(shù)，取0.282；φ0為煤體交界面的內(nèi)摩擦角，取27°；C0為煤體交界面黏聚力，取1.12 MPa；K為回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)，取1.3；H為開采深度，取250 m；γ為上覆巖層平均容重，取25 kN/m3。

計(jì)算得出塑性區(qū)寬度x0=6 m。巷道高3.5 m，因此，區(qū)段煤柱寬度W≥19 m。

3 煤柱寬度數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

根據(jù)理論分析結(jié)果，采用FLAC3D數(shù)值軟件分別模擬煤柱寬度為18，20，22，24 m時(shí)煤柱的破壞情況。模型尺寸為700 m×400 m×230 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部限制水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)，模型的上邊界為應(yīng)力邊界，為模擬上覆巖層的自重應(yīng)力，施加1.25 MPa均布載荷。數(shù)值模擬計(jì)算模型見圖2，巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果及分析

煤柱寬度分別為18，20，22，24 m時(shí)煤柱的塑性區(qū)分布見圖3。

從圖3可以看出，當(dāng)煤柱寬度為24，22，20m時(shí)，煤柱中部存在一定寬度的彈性核，且隨著寬度的減小而減小。當(dāng)煤柱寬度減小到18 m時(shí)，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)貫通，失去承載能力。

圖3 不同寬度的煤柱塑性區(qū)分布

為了減少煤柱留設(shè)所帶來的煤炭損失及考慮回采的安全性，綜合考慮推薦區(qū)段煤柱留寬20 m。此時(shí)，區(qū)段煤柱的彈性核范圍為8～12 m。

4 工程驗(yàn)證

4.1 測(cè)區(qū)布置

914與913工作面留20 m區(qū)段煤柱，為掌握回采動(dòng)壓對(duì)巷道和煤柱穩(wěn)定性的影響，對(duì)煤柱應(yīng)力、巷道表面位移和錨桿(索)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)區(qū)布置見圖4。

圖4 測(cè)區(qū)布置

在914工作面材料巷布置測(cè)站Ⅰ和Ⅱ，到切眼的距離分別為304 m和346 m。在每個(gè)測(cè)站布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)工作面?zhèn)戎С袎毫Ψ植家?guī)律，布置在巷道外幫，安裝深度分別為5，10，15 m，間距為2 m。鉆孔垂直區(qū)段煤柱煤壁，孔口距底板1～1.5 m，使用φ42 mm鉆頭，每隔5 d采集一次數(shù)據(jù)。每個(gè)測(cè)站布置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，采用“十”字布點(diǎn)法布置表面位移監(jiān)測(cè)斷面，每天觀測(cè)一次，通過觀測(cè)和計(jì)算得到巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷谋砻嫖灰啤?/p>

4.2 煤柱側(cè)支承壓力監(jiān)測(cè)

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果繪制出煤柱內(nèi)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，圖5為測(cè)站Ⅱ鉆孔應(yīng)力變化曲線?？梢钥闯觯裆?，15 m的應(yīng)力計(jì)讀數(shù)一直為0，說明2個(gè)測(cè)點(diǎn)一直處于塑性區(qū)，埋深10 m的應(yīng)力計(jì)一直升高，說明巷道10 m處為彈性區(qū)。因此，認(rèn)為工作面采動(dòng)造成的側(cè)向塑性區(qū)寬度小于10 m，但大于5 m，與數(shù)值模擬結(jié)果相符。

圖5 測(cè)站Ⅱ所測(cè)煤柱應(yīng)力變化曲線

4.3 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

圖6為巷道表面位移變化曲線?？梢钥闯?，隨著工作面位置的臨近，巷道兩幫移近量和頂?shù)装逡平恐饾u增大。從圖6(a)中可知，測(cè)站I兩幫及頂?shù)装遄冃螐?月3日開始，此時(shí)工作面到該測(cè)站的距離為150 m。從圖6(b)中可知，測(cè)站Ⅱ兩幫及頂?shù)装遄冃螐?月13日開始，此時(shí)工作面到該測(cè)站的距離為154 m。4月16日，測(cè)站Ⅰ兩幫移近量為20 mm，頂?shù)装逡平繛?5 mm；到5月3日時(shí)，測(cè)站Ⅱ兩幫和頂?shù)装逡平慷际?0 mm。巷道表面位移變化規(guī)律表明，巷道和煤柱受工作面采動(dòng)動(dòng)壓影響不大，巷道沒有出現(xiàn)大的變形，煤柱也始終保持穩(wěn)定。

圖6 巷道表面位移變化曲線

4.4 錨桿(索)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

圖7為測(cè)站Ⅰ巷道錨桿(索)載荷變化曲線。可以看出,隨著錨桿(索)受力逐漸增大，3月3日后，監(jiān)測(cè)錨桿(索)的載荷基本穩(wěn)定在同一水平，并且載荷僅有10～30 kN，遠(yuǎn)小于錨桿(索)的破斷載荷?？梢?，巷道圍巖變形小，20 m的區(qū)段煤柱能夠保證安全回采。

圖7 測(cè)站Ⅰ巷道錨桿(索)載荷變化曲線

綜合上述3種監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在留設(shè)20 m的區(qū)段煤柱情況下，煤柱中部仍存在一定寬度的彈性核，采動(dòng)對(duì)巷道和煤柱影響程度不大，能夠保證回采安全性，從而驗(yàn)證了確定的20 m區(qū)段煤柱寬度的合理性。

5 結(jié) 論

(1)兩側(cè)采空的區(qū)段煤柱的垂直應(yīng)力呈馬鞍形分布，隨著煤柱寬度的減小，煤柱中部的彈性核逐漸減小，直至兩側(cè)塑性區(qū)貫通，煤柱失去承載能力。

(2)運(yùn)用極限平衡理論計(jì)算得出某礦913和914工作面的區(qū)段煤柱寬度應(yīng)不小于19 m。

(3)采用數(shù)值模擬計(jì)算得到區(qū)段煤柱的合理寬度為20 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)一步表明，煤柱寬度是合理的，符合回采安全和經(jīng)濟(jì)效益的要求。

[1] 劉金海,姜福興,王乃國(guó),等.深井特厚煤層綜放工作面區(qū)段煤柱合理寬度研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(5):921-927.

[2] 任建峰,高明仕,李亞軍,等.孤島綜采面區(qū)段煤柱合理寬度的數(shù)值模擬分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009(6):27-30.

[3] 錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1991.

[4] 高 路,吳德儒.綜放面沿空巷道圍巖控制[J].礦山壓力與頂板管理,2001(2):52-87.

[5] 韓承強(qiáng),張開智,徐小兵,等.區(qū)段小煤柱破壞規(guī)律及合理尺寸研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007(3):370-373.

[6] 翟所業(yè),張開智.煤柱中部彈性區(qū)的臨界寬度[J].礦山壓力與頂板管理,2003,20(4):14-16.

[7] 劉增輝,康天合.綜放煤巷合理煤柱尺寸的物理模擬研究[J].礦山壓力與頂板管理,2005,22(1):24-26.

[8] 柏建彪,王衛(wèi)軍,侯朝炯,等.綜放沿空掘巷圍巖控制機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2000,25(5):478-481.

[9] 陳超群,周 寧,郭 靖.含硬煤分層綜放工作面合理區(qū)段煤柱寬度數(shù)值模擬[J].煤礦安全,2012,43(9):37-40.

[10] 李安靜.平朔井工三礦區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(4):45-48.

[11] 侯朝炯,馬念杰.煤層巷道兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡區(qū)的探討[J].煤炭學(xué)報(bào),1989,14(4):21-29.

2014-10-24)

王 博(1991—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。