任 帥，王方田，李少濤，屠洪盛，李乃梁

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；2.山東義能煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧272500）

我國中東部礦井煤炭開發(fā)時(shí)間長，主力礦區(qū)已進(jìn)入深部開采，“三高一擾動(dòng)”等問題日益突出[1－3]。由于超高水充填開采對提高煤炭采出率，預(yù)防深井動(dòng)力災(zāi)害具有顯著效果[4－7]，在礦井中不斷推廣應(yīng)用。目前超高水充填開采通常采用留設(shè)區(qū)段煤柱與充填體形成聯(lián)合支承體來控制覆巖運(yùn)移，在未掌握煤柱穩(wěn)定性規(guī)律的情況下一般靠經(jīng)驗(yàn)留設(shè)煤柱，出于安全性與保護(hù)地表生態(tài)環(huán)境的考慮，煤礦區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度范圍普遍在20～40 m[8]，實(shí)踐表明該尺寸煤柱資源損失大，且隨埋深加大會(huì)導(dǎo)致煤柱靜載過高，存在誘導(dǎo)煤柱沖擊動(dòng)力災(zāi)害隱患。因此，研究超高水充填工作面煤柱合理尺寸對實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效開采具有重要意義。James等[9]分析了充填薄煤層時(shí)小煤柱尺寸對煤炭采出率的影響規(guī)律，提出了煤柱尺寸優(yōu)化方案。鄧雪杰[10]等采用理論分析與數(shù)值模擬的方法研究不同埋深、工作面充實(shí)率、巷旁充填體寬度和強(qiáng)度條件下沿空留巷煤柱應(yīng)力演化與移動(dòng)破壞特征。劉訊[11]等以新巨龍礦充填工作面為工程背景，通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測對沿空巷道護(hù)巷煤體受力特征和圍巖變形進(jìn)行分析和研究，確定沿空掘巷煤柱留設(shè)尺寸為5 m。郭廣禮[12]等基于平頂山十二礦地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬探究充填開采協(xié)同承載體的應(yīng)力承載和破壞特征，建立了協(xié)同承載體中煤柱破壞的力學(xué)模型，得到了煤柱破壞與充填體承壓均值、煤柱承壓極值相對覆巖自重應(yīng)力的系數(shù)關(guān)系。以上研究多針對淺部煤層矸石充填、膏體充填開采煤柱的尺寸留設(shè)及充填參數(shù)對煤柱承載性能影響，而對深部煤層超高水充填開采工作面小煤柱留設(shè)及控制技術(shù)研究較少[13－15]。為此，通過構(gòu)建力學(xué)結(jié)構(gòu)模型、數(shù)值模擬等方法探究深部煤層超高水充填工作面煤柱合理留設(shè)尺寸，針對煤柱損傷破壞特征提出針對性防控技術(shù)，為深部煤層安全高采出率充填開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 超高水充填工作面煤柱力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

超高水充填開采條件下“充填體－煤柱－充填體”力學(xué)結(jié)構(gòu)模型如圖1。傳統(tǒng)的頂板垮落法處理采空區(qū)時(shí)，由于頂板懸空，煤柱上方頂板應(yīng)力σ1明顯增大，應(yīng)力集中程度高，煤柱易產(chǎn)生塑性變形、坍塌甚至沖擊災(zāi)害；超高水充填開采條件下煤柱與充填體形成聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)共同支撐頂板，頂板對煤柱載荷明顯減小，在一次采動(dòng)或二次采動(dòng)情況下充填體對煤柱兩側(cè)分別提供側(cè)向應(yīng)力σ2、σ3，使煤柱強(qiáng)度增加，穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。

圖1 “充填體-煤柱-充填體”力學(xué)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 “Backfilling body-coal pillar-back filling body”mechanical structuremodel

根據(jù)英國學(xué)者A H Wilson，Matsuoka H等提出的約束理論[16－17]及極限平衡理論[18]，則充填區(qū)煤柱的極限寬度a如式（1）。則煤柱極限寬度3.15 m。

式中：a為煤柱寬度；H為開采深度，取821 m；K為回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)，取1.75；m為煤層采厚，取3 m；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取30°；C為黏聚力，取1.7 MPa；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，取2；ρ為覆巖的密度，取2.5 t/m3；g重力加速度，取10 m/s2。

超高水充填工作面“充填體－煤柱－充填體”應(yīng)力分布如圖2，根據(jù)煤柱承載與變形破壞的不同時(shí)空歷程，對煤柱進(jìn)行分尺寸分區(qū)分級特征劃分，不同煤柱尺寸受力產(chǎn)生不同的破壞區(qū)域以及不同的損傷等級，依據(jù)煤體破壞特征將煤柱分為破碎區(qū)A、裂隙區(qū)B、塑性區(qū)C及彈性區(qū)D。

1）煤柱寬度較大時(shí)，如圖2（a），破裂區(qū)內(nèi)部煤體完全破壞，已失去承載能力，裂隙區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大小不一的裂隙，塑性區(qū)內(nèi)煤體屈服，彈性區(qū)煤體完整性好，有較強(qiáng)的支撐能力，該寬度煤柱整體輕微損傷，應(yīng)力呈雙峰型分布，應(yīng)力集中主要發(fā)生在煤柱兩側(cè)，中部彈性區(qū)范圍過大，易造成煤炭資源浪費(fèi)。

2）當(dāng)煤柱處在臨界尺寸時(shí)，如圖2（b），煤柱損傷較為嚴(yán)重，應(yīng)力呈單峰型分布，彈性區(qū)范圍減小，該寬度易誘發(fā)煤柱動(dòng)力沖擊災(zāi)害。

3）當(dāng)采用小煤柱時(shí)，如圖2（c），彈性核區(qū)消失，煤柱嚴(yán)重?fù)p傷破壞，裂隙貫通易造成漏風(fēng)；應(yīng)力呈單峰拱形分布，煤柱承載能力與沖擊危險(xiǎn)較小，主要起隔離作用。

圖2 “充填體-煤柱-充填體”應(yīng)力分布圖Fig.2 “Backfilling body-coal pillar-backfilling body”stress distribution diagram

綜上，為避免埋深增大時(shí)充填工作面發(fā)生煤柱動(dòng)力沖擊災(zāi)害，同時(shí)提高煤炭采出率和礦井經(jīng)濟(jì)效益，超高水充填工作面小煤柱合理尺寸設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性控制將是解決以上問題的有效途徑。

2 超高水充填工作面小煤柱合理寬度確定

2.1 工程背景

以山東義能煤礦充填工作面地質(zhì)條件為工程背景，工作面寬度100 m，推進(jìn)長度1 030 m。應(yīng)用超高水充填技術(shù)開采3#煤層，超高水材料水灰比為95%，平均厚3.0 m，構(gòu)造簡單，傾角2°～10°，平均埋深為821 m。直接頂為細(xì)砂巖，局部為泥巖，基本頂為細(xì)砂巖，底板為泥巖、細(xì)砂巖。

采用UDEC軟件建模，本構(gòu)模型為摩爾—庫倫模型，模型長×寬=240 m×96 m，模型四周及底邊固定位移約束，上邊界施加20.5 MPa豎向應(yīng)力模擬上覆巖重，側(cè)壓系數(shù)取1.2。模型各層的巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。綜合柱狀及模型如圖3，

表1 模型各層的巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Each layer of rock physical and mechanical parameters in model

圖3 UDEC數(shù)值模擬模型Fig.3 UDEC numerical simulation model

2.2 模擬結(jié)果分析

設(shè)計(jì)兩充填工作面間的煤柱留設(shè)寬度分別為10、6、3、1 m時(shí)，分析煤柱應(yīng)力分布、塑性區(qū)發(fā)育及變形特征，揭示充填工作面煤柱穩(wěn)定性規(guī)律。

2.2.1 煤柱豎向應(yīng)力分布特征

不同寬度煤柱豎向應(yīng)力分布如圖4。

圖4 不同煤柱寬度豎向應(yīng)力圖Fig.4 Vertical stress diagram of different coal pillar w idths

1）當(dāng)寬度為10 m時(shí)，煤柱兩側(cè)2.0 m范圍內(nèi)應(yīng)力顯著降低，低于原巖應(yīng)力，煤柱內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)單峰形分布，中心為原巖應(yīng)力區(qū)，最大應(yīng)力為37.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.80；當(dāng)寬度為6 m時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力呈單峰形分布，中心應(yīng)力集中程度最大，最大應(yīng)力為33.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.61，彈性區(qū)消失；當(dāng)寬度為3 m時(shí)，應(yīng)力分布規(guī)律與6 m基本一致，最大應(yīng)力為26.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.27；當(dāng)寬度為1 m時(shí)，煤柱內(nèi)部豎向應(yīng)力普遍低于原巖應(yīng)力，最大為16.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)0.80，此時(shí)煤柱已失去主要承載能力。綜上，煤柱豎向應(yīng)力分布隨寬度減小呈遞減趨勢。

2.2.2 煤柱塑性區(qū)發(fā)育特征

不同寬度煤柱塑性區(qū)發(fā)育如圖5。

圖5 不同煤柱寬度塑性區(qū)發(fā)育圖Fig.5 Plastic zone of different coal pillar w idths

當(dāng)寬度為10 m時(shí)，煤柱同時(shí)存在破碎區(qū)、裂隙區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)，彈性區(qū)范圍較小，此時(shí)煤柱尚有較強(qiáng)的承載能力；當(dāng)寬度為6 m時(shí)，煤柱彈性區(qū)消失，中部有部分塑性區(qū)發(fā)揮承載能力，煤柱嚴(yán)重?fù)p傷；當(dāng)寬度為3 m時(shí)，煤柱塑性區(qū)消失，主要為裂隙區(qū)和破碎區(qū)，煤柱嚴(yán)重?fù)p傷；當(dāng)寬度為1 m時(shí)，煤柱完全處于破碎區(qū)，裂隙貫通容易漏風(fēng)，主要由兩側(cè)充填體承載覆巖壓力。

2.2.3 煤柱變形規(guī)律

不同寬度煤柱變形如圖6。

圖6 不同寬度煤柱變形圖Fig.6 Deformation of different coal pillar w idths

從寬度1～10 m煤柱頂部變形呈遞減趨勢，最小值為148 mm，與煤柱內(nèi)部應(yīng)力不斷遞增呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性；煤柱兩側(cè)變形特征基本一致，寬度1～10 m時(shí)，變形量不斷減小，最小值為108 mm。寬度為1～3 m時(shí)，煤柱內(nèi)部已完全破壞，變形量相對較大，但由于充填體側(cè)向限制，與非充填開采相比煤柱變形有限，能起到有效隔離作用。

2.2.4 充填工作面煤柱合理寬度確定

綜上，煤柱豎向應(yīng)力分布隨寬度減小呈遞減趨勢。塑性區(qū)范圍、損傷程度破壞隨寬度減小遞增，承載能力隨之遞減。根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，可將充填工作面小煤柱留設(shè)寬度按照“象限法”[19]進(jìn)行劃分，“象限法”示意圖如圖7。

圖7 “象限法”示意圖Fig.7 Diagram of“quadrantmethod”

當(dāng)寬度為10 m（Ⅰ區(qū)）時(shí)，煤柱應(yīng)力集中，變形量較小，但中心有一定寬度的彈性核區(qū)，易引發(fā)動(dòng)力沖擊災(zāi)害；當(dāng)寬度為1 m時(shí)（Ⅱ區(qū)），煤柱損傷程度最大，完全失去承載能力，圍巖變形較大，難保持自身穩(wěn)定，隔離作用弱；當(dāng)寬度為3 m（Ⅲ區(qū)）時(shí)，豎向應(yīng)力相對較小，基本無承載能力，變形量相對較小，主要起隔離作用；當(dāng)寬度為6 m（Ⅳ區(qū)）時(shí)，煤柱應(yīng)力較集中，變形量較小，煤柱損傷嚴(yán)重，存在一定動(dòng)力沖擊風(fēng)險(xiǎn)。綜上，從礦井安全、采出率及經(jīng)濟(jì)效益多方面考慮，確定合理煤柱寬度為3 m。

3 充填工作面小煤柱穩(wěn)定性控制技術(shù)

超高水充填工作面間留設(shè)小煤柱后，通常會(huì)因?yàn)轫敯鍛?yīng)力高、塑性區(qū)發(fā)育范圍廣、自身支承能力降低等原因，產(chǎn)生貫通裂隙導(dǎo)致漏風(fēng)事故。因此，提出巷道錨桿錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)及注漿封堵等技術(shù)。

3.1 錨桿網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

由于煤柱寬度過小，一般錨網(wǎng)網(wǎng)格較大，破碎區(qū)碎煤易從錨網(wǎng)空隙間脫落，進(jìn)一步造成煤柱從表層向內(nèi)部破裂發(fā)展，導(dǎo)致煤柱幫頂板漏冒，造成惡性循環(huán)。小煤柱承載能力下降，內(nèi)部通過加長錨桿提高煤柱穩(wěn)定性。因此，針對充填工作面小煤柱，采用加長煤柱幫錨桿長度（由2.0 m加長至2.5 m）、減小間排距（由1 000 mm×1 000 mm加密至700 mm×700 mm）、提高網(wǎng)強(qiáng)度（由礦用塑料雙抗網(wǎng)改為12#鍍鋅鐵絲經(jīng)緯金屬網(wǎng)）加密網(wǎng)格（由50 mm×50 mm加密至25 mm×25 mm）等方法來提高煤柱強(qiáng)度，錨桿錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)如圖8。

圖8 錨桿網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)圖Fig.8 Design draw ing of anchor bolt and mesh

3.2 注漿封堵防漏

3.2.1 注漿材料

井下煤柱注漿封堵加固材料采用原材料易獲取、成本低、強(qiáng)度較高、可注性好等優(yōu)點(diǎn)的粉煤灰與超高水材料，該原料可制備具有良好微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的新型復(fù)合材料制品，有利于實(shí)現(xiàn)固體廢料的再次利用。該注漿材料結(jié)合了高水材料具有凝結(jié)速度快、早期凝結(jié)強(qiáng)度高的特點(diǎn)，同時(shí)漿液流動(dòng)性好，便于輸送，進(jìn)入煤體后黏結(jié)性能很好，較普通硅酸鹽注漿材料其性能有很大程度的提升，尤其適宜于淺部注漿加固[20]。

3.2.2 注漿系統(tǒng)

煤柱注漿系統(tǒng)如圖9。

圖9 煤柱注漿系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of coal pillar grouting system

注漿封堵系統(tǒng)由2個(gè)氣動(dòng)攪拌桶、2個(gè)盛漿桶、2臺(tái)液壓注漿泵、注漿管路、三通混合器組組成。將注漿材料分別與水按照一定的比例混合進(jìn)行攪拌形成單漿液，然后注入成漿由液壓注漿泵通過管道運(yùn)輸?shù)骄拢?種單漿液經(jīng)三通混合器混合經(jīng)由注漿泵注入小煤柱煤體中。

煤柱鉆孔注漿參數(shù)如圖10。

圖10 煤柱鉆孔注漿參數(shù)Fig.10 Parameters of coal pillar grouting

煤柱中布置2排鉆孔，下排鉆孔距離煤層底板1 m，上排鉆孔距離地板2 m，上下排鉆孔呈“三花眼”狀布置。

3.2.3 注漿時(shí)機(jī)

根據(jù)充填工作面推進(jìn)速度及煤柱裂隙發(fā)育特征，由于工作面前方0～30 m的小煤柱裂隙較為發(fā)育程度，可注漿容量大，注漿壓力小，適宜進(jìn)行注漿，但距離工作面過近，易發(fā)生煤柱幫部漏漿現(xiàn)象；工作面前方60 m以外為原巖應(yīng)力區(qū)，裂隙不發(fā)育，注漿壓力大、注漿量小，回采時(shí)易再次產(chǎn)生大量新裂隙，注漿效果差；工作面前方30～60 m，在超前支承壓力作用下，裂隙有一定程度的張開、貫通，此時(shí)進(jìn)行注漿，注漿壓力適中，適當(dāng)提高注漿量，工作面約5～7 d回采至注漿區(qū)域，注漿材料強(qiáng)度充分提高。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況，工作面前方30～60 m的小煤柱注漿為合理注漿時(shí)機(jī)，注漿跟隨工作面回采同步進(jìn)行。

3.2.4 注漿壓力

根據(jù)既能使?jié){液滲入圍巖裂隙，又不因壓力過大而導(dǎo)致煤體被漿液劈裂的原則，最大注漿壓力以能劈裂微小裂隙為宜，結(jié)合小煤柱強(qiáng)度、應(yīng)力分布及裂隙發(fā)育特征，綜合確定注漿壓力6～8 MPa。

4 結(jié) 語

1）構(gòu)建了超高水充填開采條件下“充填體－煤柱－充填體”力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，通過研究不同寬度煤柱內(nèi)部破壞特征確定損傷等級，提出了煤柱承載分尺寸分區(qū)分級特征。

2）利用UDEC軟件模擬分析了10、6、3、1 m不同寬度煤柱豎向應(yīng)力、塑性區(qū)發(fā)育及變形特征，表明隨寬度減小，豎向應(yīng)力遞減，塑性區(qū)范圍不斷增大、煤柱變形不斷增大。

3）結(jié)合煤柱應(yīng)力、損傷破壞與變形特征，根據(jù)“象限法”分析不同寬度煤柱穩(wěn)定性，綜合確定超高水充填工作面合理煤柱寬度為3 m。

4）為防止小煤柱裂隙貫通漏風(fēng)，提出錨桿網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)、注漿封堵技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了支護(hù)參數(shù)，確定了合理注漿系統(tǒng)、材料、時(shí)機(jī)、壓力，為深井充填工作面安全高效高采出率開采提供了有效保障。