孤島煤柱回采技術(shù)參數(shù)對下伏大巷圍巖穩(wěn)定性影響研究

， ，，，澤華

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 能源與礦業(yè)學院，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京) 共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭安全開采與地質(zhì)保障國家級實驗教學示范中心，北京 100083)

在我國礦井設(shè)計中，受地質(zhì)與回采技術(shù)限制，井田內(nèi)的再劃分以分區(qū)式為主，即采用開采水平劃分階段，階段內(nèi)劃分采區(qū)，利用上下山作為開采水平與回采巷道聯(lián)系的樞紐，一般上下山與水平大巷布置在煤層群的下層煤或底板巖石中，在開采中造成大巷、上下山上方存在殘留孤島煤體。孤島煤體的存在帶來幾方面的負面影響：造成大量資源的浪費，加快礦井枯竭速度；加速礦井向深部延深的速度，帶來一系列動力災(zāi)害威脅；孤島煤體的存在給下伏井巷工程的維護帶來困難。因此，實現(xiàn)孤島殘留煤體的回收具有重要的經(jīng)濟與社會效益。目前有關(guān)孤島煤體回收的研究成果主要集中在沖擊地壓預(yù)測、預(yù)報與防治及相關(guān)技術(shù)上[1-15]。綜合現(xiàn)有成果發(fā)現(xiàn)，針對下伏大巷圍巖穩(wěn)定性控制的上覆孤島殘留煤體回采技術(shù)幾乎沒有相關(guān)科研成果的報道，因此，本文基于此問題以開灤礦區(qū)東歡坨礦實際情況作為工程背景展開研究，預(yù)期研究成果可為具有同類回采技術(shù)條件的礦井提供一定的參考價值。

1 工程概況

東歡坨礦8#孤島煤柱位于-500水平中央采區(qū)，殘留煤柱標高-420～452m，地面標高16.9m，走向長1816.1m，傾斜長75～105m，可采儲量83.5萬t，孤島煤柱與下伏大巷空間關(guān)系如圖1所示。8#孤島煤柱工作面煤厚2.2～4m，平均3.3m，煤層傾角平均20°。可采指數(shù)1.0，煤厚變異系數(shù)5.25%，為穩(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)簡單。

圖1 孤島煤柱與下伏大巷空間關(guān)系示意圖

-480水平南翼運輸大巷和-500水平南翼軌道大巷位于8#孤島煤柱下方，其中，-480水平南翼運輸大巷與開采煤層距離較近(法向距離47m，垂直距離50m)。受孤島煤柱集中應(yīng)力的影響，-480水平南翼運輸大巷變形嚴重。因此，以孤島煤柱回采技術(shù)參數(shù)對下伏大巷圍巖穩(wěn)定性的影響作為主要內(nèi)容展開研究，以期提高8#煤層采出率，并改善下伏大巷支護難度大的現(xiàn)狀。

2 孤島煤柱回采參數(shù)對下伏大巷的破壞影響

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

采用FLAC3D5.0數(shù)值模擬軟件建立計算模型，模型尺寸為X×Y×Z=500m×150m×195m，由495900個塊組成，包括516222個格點。按照8#孤島煤柱實際情況，模型設(shè)置8#煤層厚度為3.5m，平均傾角為20°，巷道尺寸為3.2m(巷高)×4.8m(巷寬)。模型埋深約為350m，在模型頂部施加350m×0.025MN/m3=8.75MPa的荷載以模擬上覆未建巖層對模型形成的載荷。邊界條件為：模型底部邊界對節(jié)點水平和豎直方向的速度進行約束，模型兩側(cè)邊界對節(jié)點的水平速度進行約束，上邊界為自由邊界。模型所采用的巖石物理力學參數(shù)見表1。

表1 各巖層力學參數(shù)

2.2 煤柱尺寸對下伏大巷影響

為了掌握8#孤島煤柱與兩側(cè)采空區(qū)留設(shè)煤柱尺寸對下伏大巷圍巖破壞范圍的影響特點，分別以留設(shè)3m、5m、8m、10m、15m和20m護巷煤柱作為實驗對象對下伏大巷的圍巖穩(wěn)定性展開研究，留設(shè)不同寬度煤柱時下伏大巷圍巖塑性區(qū)分布如圖2所示。

圖2 不同煤柱尺寸下伏大巷圍巖塑性區(qū)分布圖

綜合孤島煤柱兩側(cè)留設(shè)不同煤柱尺寸對下伏大巷圍巖塑性區(qū)破壞范圍的模擬結(jié)果，將各模擬塑性區(qū)范圍進行匯總，具體見表2。對比分析8#孤島工作面留設(shè)不同尺寸煤柱對下伏大巷圍巖塑性區(qū)破壞范圍的影響，發(fā)現(xiàn)下伏大巷圍巖塑性破壞整體呈“X”型，也即巷道頂、底板左右兩端出現(xiàn)最大塑性破壞范圍。從煤柱尺寸對大巷塑性破壞范圍的影響進行分析，發(fā)現(xiàn)孤島工作面留設(shè)的煤柱尺寸越大，下伏大巷圍巖塑性區(qū)破壞范圍越大，因此從提高孤島煤柱回采率與下伏大巷穩(wěn)定性控制兩個方面考慮，確定護巷煤柱尺寸為3m時更為有利。

表2 不同煤柱尺寸下伏大巷圍巖塑性破壞情況 m

2.3 采高對下伏大巷的影響

對于3.3m厚度殘留孤島煤柱的開采，理論上可以采用整層開采與分層開采兩種方式。整層開采方案對于實現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效有利，但從理論上分析認為分層開采對維護下伏大巷的穩(wěn)定性較為有利。因此，對兩種孤島煤柱回采方案進行數(shù)值模擬研究。整層開采情況利用前述煤柱尺寸的留設(shè)結(jié)果，也即留設(shè)3m護巷煤柱整層開采8#殘留煤體。整層開采、上分層開采與下分層開采對下伏大巷圍巖應(yīng)力分布與塑性區(qū)分布情況見表3和表4。

表3 不同采厚對下伏大巷應(yīng)力分布的影響 MPa

表4 不同采厚對下伏大巷圍巖塑性區(qū)范圍的影響 m

分析表3中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，孤島殘留煤體開采時，巷道頂、底板承載受采高影響較小，甚至采用整層開采時頂板承載要小于分層開采方案；但采高對巷道左、右?guī)偷膽?yīng)力影響較為明顯，整層開采在巷道左、右形成的載荷最大，上分層開采略小，而下分層開采由于上分層已經(jīng)回采，下伏大巷處于卸壓區(qū)，故兩幫受到的載荷最小。

分析表4中塑性區(qū)影響范圍發(fā)現(xiàn)，整層開采與開采上分層圍巖塑性區(qū)相近，兩種情況下分別在巷道不同位置出現(xiàn)較大塑性破壞；當下分層開采時，由于受到二次采動且時間影響，下伏大巷出現(xiàn)較大塑性破壞區(qū)域，因此，從下伏大巷穩(wěn)定性和礦井高產(chǎn)高效兩方面考慮，認為采用整層開采較為有利。

2.4 推進速度對下伏大巷穩(wěn)定性影響

研究孤島煤柱不同推進速度對下伏大巷圍巖應(yīng)力及穩(wěn)定性的影響，從而確定孤島煤柱回采最優(yōu)的推進速度。分別以推進速度1m/d、2m/d、3m/d、4m/d及5m/d作為實驗對象，對下伏大巷的圍巖穩(wěn)定性展開研究，不同推進速度下伏大巷周邊應(yīng)力值與塑性區(qū)范圍見表5。

表5 不同推進速度下伏大巷周邊應(yīng)力值與塑性區(qū)范圍

孤島煤柱回采推進速度從1m/d至5m/d對下伏大巷周邊應(yīng)力分布影響情況如圖3所示，從圖3中可以看出，當工作面推進速度從1m/d增加到3m/d，下伏大巷周邊應(yīng)力均呈現(xiàn)不同程度的降低，且兩幫承載明顯大于頂、底板承載；推進速度3m/d、4m/d變化不明顯，較為平緩，當增加至5m/d時，下伏大巷周邊應(yīng)力又呈現(xiàn)出不同程度的上升趨勢。因此，從應(yīng)力分布情況來看，工作面推進速度3m/d、4m/d較為合理。

圖3 不同推進速度時下伏大巷周邊應(yīng)力值

不同推進速度下伏大巷圍巖塑性范圍分布如圖4所示，隨著推進速度的增加，大巷圍巖塑性區(qū)范圍呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。巷道兩幫塑性區(qū)在可控范圍之內(nèi)，但頂?shù)装宓乃苄云茐膮^(qū)域較大，需要重點防控。當推進速度是3m/d的時候，下伏大巷的圍巖整體破壞深度較小，對于下伏大巷的維護最為有利。綜合上述分析結(jié)果，工作面推進速度增加下伏大巷圍巖塑性仍呈“X”型。根據(jù)圍巖應(yīng)力分布、圍巖塑性區(qū)破壞情況整體考慮，當推進速度是3m/d的時候?qū)ο路笙镙^為有利。

圖4 不同推進速度時下伏大巷圍巖塑性范圍分布圖

2.5 卸壓開采對下伏大巷的影響

大量理論與實踐表明，當煤巖體處于極限平衡

狀態(tài)條件下，煤巖體的變形具有：即使受力較小，仍然會出現(xiàn)大變形的特點。也即當煤巖體處于極限平衡狀態(tài)時，傳遞載荷能力降低。為了保證孤島煤柱回采不會對下伏大巷造成較大的采動影響，以前述已經(jīng)得到的孤島煤柱最優(yōu)回采方案：留設(shè)3m護巷煤柱整層開采8#殘留煤體并以3m/d推進速度為前提，采用數(shù)值模擬的方法研究8#孤島煤柱卸壓開采方案對下伏大巷的圍巖穩(wěn)定性的影響。

卸壓開采后8#孤島煤柱的力學參數(shù)會發(fā)生明顯變化，結(jié)合體積模量K和剪切模量G與楊氏模量E及泊松比λ之間的公式：

將8#孤島煤柱的體積模量由5GPa改變?yōu)?GPa，剪切模量由2.5GPa改變?yōu)?GPa，將調(diào)整后的8#孤島煤柱力學參數(shù)帶入數(shù)值模型以此來模擬卸壓開采對8#孤島煤體力學參數(shù)的影響，計算結(jié)果見表6。

表6 8#孤島煤柱卸壓開采前后下伏大巷圍巖應(yīng)力與塑性破壞范圍對比

通過表6與表5對比分析8#孤島煤柱卸壓前后下伏大巷圍巖應(yīng)力與塑性破壞范圍發(fā)現(xiàn)，圍巖應(yīng)力分布變化主要發(fā)生在下伏大巷兩幫的位置，左幫降低1MPa，右?guī)徒档?.8MPa；下伏大巷圍巖塑性區(qū)分布范圍變化較大的區(qū)域出現(xiàn)在下伏大巷頂、底板位置，頂板兩側(cè)塑性區(qū)分別減少1.4m和1.42m，底板左右兩側(cè)塑性破壞區(qū)分別降低0.6m和1.2m，通過數(shù)值模擬的方法對比分析認為，8#孤島煤體采用卸壓開采時對維護下伏大巷的穩(wěn)定性較為有利。

2.6 孤島煤柱回采對下伏大巷圍巖破壞形態(tài)模擬

綜合前述，將最有利于下伏大巷穩(wěn)定性的8#孤島煤柱回采技術(shù)參數(shù)進行組合：孤島煤柱兩側(cè)留設(shè)3m窄煤柱、整層開采、孤島煤柱回采推進速度3m/d并通過超前卸壓開采的方法回采8#孤島煤柱。通過數(shù)值模擬的方法以8#孤島煤柱最優(yōu)回采方案回采8#孤島煤柱，得到下伏大巷塑性破壞形態(tài)特征，如圖5所示。

圖5 孤島煤體開采下伏大巷塑性形態(tài)圖

從大巷圍巖穩(wěn)定性來看，大巷圍巖塑性區(qū)破壞呈現(xiàn)“X”型，在巷道頂板位置，左側(cè)破壞深度為1.2m，右側(cè)破壞深度為1.3m；大巷左幫破壞深度0.67m，右?guī)推茐纳疃?.75m；大巷底板兩端發(fā)生破壞，左幫側(cè)底板破壞2.4m，右?guī)蛡?cè)底板破壞1.4m。

3 支護方案

受孤島煤體開采影響，下伏大巷圍巖呈現(xiàn)“X”型的破壞特點。在通過改善8#孤島煤柱回采參數(shù)來提高下伏大巷圍巖穩(wěn)定性的同時，需要針對該類破壞形式進行錨索加強支護，以提高下伏大巷的支護效果。具體支護方案優(yōu)化為：采用錨網(wǎng)噴支護形式，直徑22mm等強右旋螺紋鋼錨桿，錨桿長度2400mm，間排距700mm×700mm，呈矩形布置，當采用錨索支護時，錨索沿巷道正中和左右四角各布置一根，間距2.4m，錨索采用Φ22mm×8000mm左旋鋼鉸線，優(yōu)化支護斷面如圖6所示。

圖6 下伏大巷優(yōu)化支護斷面圖(mm)

原始狀態(tài)下下伏大巷圍巖破壞情況如圖7(a)所示，從大巷圍巖穩(wěn)定性來看，大巷圍巖塑性區(qū)破壞呈現(xiàn)“X”型。在巷道頂板位置，左側(cè)破壞深度為1.4m；右側(cè)破壞深度為1.9m；大巷左幫破壞深度0.8m；右?guī)推茐纳疃?.9m，大巷底板兩端發(fā)生破壞，左幫側(cè)底板破壞4.2m；右?guī)蛡?cè)底板破壞2.3m。

按前述最優(yōu)回采參數(shù)回采8#孤島煤柱且按新的支護優(yōu)化方案對下伏大巷進行支護后的下伏大巷圍巖破壞情況如圖7(b)所示。通過兩種措施進行優(yōu)化后，從大巷圍巖穩(wěn)定性來看，大巷圍巖塑性區(qū)“X”型破壞解除。在巷道頂板位置、大巷左幫、右?guī)?、基本一致，破壞深?.77m，大巷底板兩端發(fā)生破壞，左幫側(cè)底板破壞1.8m；右?guī)蛡?cè)底板破壞1.2m，整個大巷圍巖塑性區(qū)分布呈現(xiàn)均勻化趨勢。

圖7 原始狀態(tài)與優(yōu)化方案后下伏大巷圍巖破壞情況

4 結(jié) 論

1)研究了孤島煤體回采技術(shù)，包括煤柱留設(shè)尺寸、開采高度、工作面推進速度及卸壓措施對下伏大巷圍巖穩(wěn)定性的影響，確定了最優(yōu)回采技術(shù)參數(shù)，即留設(shè)3m護巷煤柱、整層開采、日進尺3m以及采取超前卸壓措施回采8#孤島煤柱。

2)在得到回采技術(shù)參數(shù)對下伏大巷圍巖穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)下伏大巷圍巖塑性破壞形態(tài)為“X”型，確定下伏大巷支護原則應(yīng)以控制下伏大巷四角為主。

3)在得到下伏大巷圍巖塑性破壞特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工程背景，提出優(yōu)化后的大巷支護方案。與原始狀態(tài)大巷支護效果相比，優(yōu)化后支護方案不僅可大幅度降低圍巖塑性破壞范圍，同時塑性破壞“X”型特征消失，下伏大巷塑性區(qū)破壞區(qū)趨于均勻。采用最優(yōu)回采參數(shù)回采8#孤島煤柱并按支護優(yōu)化方案對下伏大巷進行支護，對下伏大巷的控制更為有利。