特厚綜放工作面沿空窄煤柱尺寸研究

楊禎龍

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.同煤集團(tuán)安全監(jiān)管五人小組管理部，山西 大同 037003）

0 引言

綜放開采技術(shù)的發(fā)展是煤礦經(jīng)濟(jì)效益快速增長的一種前提因素，為進(jìn)一步提高綜放工作面效率，加強(qiáng)綜放工作面的頂板管理，煤柱的寬度至關(guān)重要[1]。如何在保障工作面開采過程安全生產(chǎn)，又以最大限度的對不可再生能源加以利用，是現(xiàn)今采礦界必須面對的問題[2]。安全生產(chǎn)涉及巷道穩(wěn)定性，而護(hù)巷煤柱對維護(hù)巷道穩(wěn)定起著關(guān)鍵性作用。煤柱尺寸既與安全息息有關(guān)，又和煤炭資源利用率有關(guān)，留設(shè)不足造成巷道圍巖難以控制，甚至釀成安全事故。留設(shè)過寬，造成資源的浪費，降低礦井經(jīng)濟(jì)效益，更不符合國家倡導(dǎo)的走資源節(jié)約型的方針。雖然眾多學(xué)者進(jìn)行了一些護(hù)巷窄煤柱的研究[3]，但對于特厚綜放工作面沿采空區(qū)留設(shè)護(hù)巷合理窄煤柱尺寸研究還不是很完善，以塔山煤礦特厚3-5#煤綜放8101工作面沿8102采空區(qū)留設(shè)窄煤柱為背景進(jìn)行研究。

1 地質(zhì)概況

塔山礦已成功回采了一盤區(qū)8102、8103工作面，原區(qū)段護(hù)巷煤柱寬度留設(shè)38m左右，但工作面順槽礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道變形、冒頂嚴(yán)重，甚至局部底鼓，且兩工作面保安煤柱較寬，資源浪費嚴(yán)重，煤柱損失高達(dá)10%～30%，煤炭資源損失嚴(yán)重，這兩個問題制約著礦井安全高效的發(fā)展，與塔山煤礦循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)園理念背道而馳。

塔山煤礦3-5#煤8101工作面走向長度1445m，傾向長度231.4m。該工作面所在位置煤層平均厚度20.08m，夾矸2～9層，煤層節(jié)理較為發(fā)育，地溫梯度為3.29℃/100m，為低瓦斯工作面。根據(jù)物探報告、地質(zhì)報告、8102工作面開采等資料顯示，8101工作面所處范圍無大的陷落柱、斷層等地質(zhì)構(gòu)造。8101工作面與8102采空區(qū)相鄰，其中8102工作面于2007年7月就已回采完畢，現(xiàn)階段準(zhǔn)備開采8101工作面。

8101工作面?zhèn)雾敽駷?～6m，主要以高嶺質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖為主，局部含有砂質(zhì)泥巖。直接頂厚約20m，主要以厚層狀中硬以上粗粒砂巖和砂礫巖為主，局部含有高嶺巖、高嶺質(zhì)泥巖。老頂以粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖為主，部分為中粒砂巖、砂礫巖。底板多為砂質(zhì)高嶺質(zhì)炭質(zhì)泥巖、泥巖和高嶺巖，局部含少量粉砂巖和細(xì)砂巖。根據(jù)塔山煤礦地質(zhì)報告、巖石試樣試驗等資料顯示，3-5#煤8101工作面頂?shù)装鍑鷰r物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2 窄煤柱寬度理論分析

2.1 護(hù)巷窄煤柱采空區(qū)側(cè)覆巖垮落結(jié)構(gòu)

如圖1所示，窄煤柱一側(cè)工作面在采空后，偽頂、直接頂?shù)入S采隨落，上方老頂類似磚型塊體下沉或回轉(zhuǎn)變形。遠(yuǎn)離煤柱區(qū)域，如塊體C直接隨下方巖體變化沉降。在煤柱區(qū)域的塊體B以破斷線腳處為圓點旋轉(zhuǎn)，與塊體A和塊體B鉸接咬合。窄煤柱采空區(qū)側(cè)上覆老頂?shù)淖兓喜枯d荷作用力則會加載到窄煤柱上，煤柱邊緣基本會形成應(yīng)力集中。從采空區(qū)側(cè)邊緣到煤體側(cè)，煤柱依次出現(xiàn)破裂區(qū)、塑性區(qū)、穩(wěn)壓區(qū)[4]。

圖1 一側(cè)采空窄煤柱護(hù)巷時巖體變形情況

2.2 窄煤柱應(yīng)力分布

煤體開挖以后，穩(wěn)定煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律[5]，較為權(quán)威且為絕多大數(shù)采礦研究者所認(rèn)同的是A.H.Wilson的兩區(qū)約束理論。由煤柱載荷試驗可知，其內(nèi)部應(yīng)力隨著加載的外部作用力不同而不斷變化，煤柱內(nèi)部應(yīng)力最高點到靠近采空區(qū)邊緣范圍，煤柱承受上覆作用力過強(qiáng)，且向采空區(qū)側(cè)發(fā)生一定的塑性變化，這部分可以稱之為煤柱內(nèi)塑性區(qū)；與采空區(qū)相鄰區(qū)域，支承力極小的區(qū)域稱之為煤柱內(nèi)破裂區(qū)；在煤柱中部區(qū)域，基本未發(fā)生變形，煤柱支承應(yīng)力低于鄰近塑性區(qū)應(yīng)力，由塑性區(qū)夾逼、還處于彈性范圍、應(yīng)力是三軸下的情況這部分稱之為原巖應(yīng)力彈性區(qū)，也叫煤柱彈性核區(qū)。煤柱應(yīng)力分布如圖2所示，圖中Ⅰ為穩(wěn)定煤柱破裂區(qū)，Ⅱ為煤柱塑性區(qū)，Ⅲ為煤柱彈性核區(qū)。

圖2 煤柱三區(qū)分布示意圖

2.3 沿采空區(qū)護(hù)巷窄煤柱寬度計算

采用極限平衡理論和彈塑性理論計算[6]，3-5#煤8101綜放工作面沿8102采空區(qū)空最小護(hù)巷煤柱寬度B，如圖3所示。

8101綜放工作面沿8102采空區(qū)最小護(hù)巷煤柱寬度B可以表示為：

式中：B為最小護(hù)巷煤柱寬度；x0為采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)；R為錨桿錨固深度，取2.4m；L0為彈性核區(qū)。

圖3 沿空最小護(hù)巷煤柱計算模型

煤柱的一側(cè)塑性區(qū)寬度x0為：

式中：m為煤層平均厚度，20.08m；K為集中應(yīng)力系數(shù)，2.5；γ為上覆巖層平均容重，25kN/m3；H為煤層平均埋深，465m；C為煤柱內(nèi)聚力，1.8MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，33°；λ為塑性區(qū)與彈性核區(qū)的側(cè)壓系數(shù)，0.3；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，3.39；F為煤巖互層系數(shù)，1.1。

將以上各個參數(shù)代入上述公式（2）中，計算得采空區(qū)一側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度x0為3.107m。

將數(shù)據(jù)代入公式（1）中計算得到煤柱寬度范圍6.33～7.43m。因此，為了滿足煤柱強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求，8101綜放工作面沿采空區(qū)側(cè)的窄煤柱應(yīng)留設(shè)大于或等于計算的極限煤柱寬度，即8101綜放工作面護(hù)巷煤柱的最小寬度應(yīng)為7.43m。

3 窄煤柱數(shù)值模擬研究

3.1 FLAC3D模擬模型建立

為了合理的確定綜放8101工作面沿空護(hù)巷煤柱的寬度，同時全面、客觀地反映煤柱的合理性，構(gòu)建FLAC3D三維數(shù)值模擬計算模型，模擬在開采過程中留設(shè)的四種不同煤柱寬度，觀察各自塑性區(qū)范圍，根據(jù)塑性區(qū)分布從而確定出合理可行的最佳護(hù)巷窄煤柱寬度。

3.2 模擬結(jié)果及分析

模型建好后，模擬開挖8101工作面，開挖步距為45m，在超前工作面10m處切開取其剖面，分別觀察護(hù)巷窄煤柱寬度為4m、6m、8m和10m下各自的煤柱塑性區(qū)分布情況，以便確定出護(hù)巷窄煤柱最佳寬度。

圖4 不同護(hù)巷窄煤柱寬度下塑性區(qū)分布

在超前工作面10m處，從各個煤柱的塑性區(qū)分布來看，煤柱為4m和6m時，幾乎整個煤柱均處于塑性區(qū)內(nèi)，說明在采動影響下，該煤柱會發(fā)生失穩(wěn)破會，無法保證工作面安全生產(chǎn)。煤柱為8m和10m時，靠近采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)范圍較大，但整個煤柱未被塑性區(qū)貫通，說明中部區(qū)域具有彈性核區(qū)，塑性區(qū)區(qū)域顯著減小。就8m和10m煤柱相比較，明顯10m煤柱的塑性區(qū)范圍小于8m煤柱，就穩(wěn)定上來說，留設(shè)10m煤柱更加有優(yōu)勢，但考慮到資源的損失，而且從塑性區(qū)分布來看8m煤柱也能滿足穩(wěn)定性要求，故塔山煤礦特厚8101綜放工作面最佳煤柱留設(shè)尺寸取8m更加合理。

4 工業(yè)性實踐

4.1 窄煤柱變形實測

在開采期間，在巷道具有不同特征位置處布置四個測點，對沿8102采空空巷道表面位移變化進(jìn)行實測，測得巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰浦等绫?所示。

表2 綜放沿空巷道圍巖變形實測結(jié)果

從表2四個測點結(jié)果來看，靠近煤體側(cè)的左幫最大變形量為79mm，煤柱側(cè)的右?guī)妥畲笞冃瘟繛?7mm，頂板最大下沉量為43mm，底臌量最大為22mm，巷道位移變形量均在較小合理范圍內(nèi)，說明巷道穩(wěn)定性較好。進(jìn)一步反映了綜放8101工作面沿空的8m窄煤柱能夠滿足巷道的穩(wěn)定性要求，其煤柱尺寸留設(shè)合理。

4.2 窄煤柱應(yīng)力實測

圖5 窄煤柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

在8101工作面開采過程中，運用鉆孔應(yīng)力計對窄煤柱內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行實時監(jiān)測。從工作面開采時就開始收集數(shù)據(jù)，直到工作面初次來壓時結(jié)束。共測了煤柱三個不同位置處的應(yīng)力，煤柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖5。

在開采過程中，三個測點距工作面50～26m范圍，隨著工作面的臨近，煤柱應(yīng)力監(jiān)測值緩慢上升；在距工作面26～13m范圍，隨著工作面的臨近，煤柱應(yīng)力急劇上升，上升斜率大；在距工作面13m范圍內(nèi)，煤柱應(yīng)力有所下降，但均遠(yuǎn)高于原巖應(yīng)力。這表明在工作面推進(jìn)過程中，煤柱受力不斷增大而后變緩，但仍高于遠(yuǎn)離工作面較遠(yuǎn)處的應(yīng)力。1#、2#和3#測點應(yīng)力監(jiān)測值變化規(guī)律基本相同，應(yīng)力峰值較高且相近，這表明特厚煤層綜放工作面沿空留設(shè)的8m窄煤柱不會發(fā)生失穩(wěn)破壞，能夠滿足8101工作面開采期間的強(qiáng)度要求。

5 結(jié) 論

根據(jù)塔山煤礦8101綜放工作面工程概況，通過理論分析計算和數(shù)值模擬，確定了護(hù)巷窄煤柱留設(shè)最佳尺寸為8m，并通過現(xiàn)場實測表明，該窄煤柱護(hù)巷有效。

1）穩(wěn)定性。8101工作面在開采期間，留設(shè)的8m窄煤柱能夠滿足強(qiáng)度要求，在8m護(hù)巷煤柱保護(hù)下，8101綜放工作面順槽穩(wěn)定性較好，未進(jìn)行高成本維護(hù)，工作面實現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)。

2）經(jīng)濟(jì)性。8101綜放工作面沿空留設(shè)8m的窄煤柱，增產(chǎn)百萬余噸，減小了不可再生資源的損失，提高了采出率，顯著增加了礦井經(jīng)濟(jì)效益。