淺埋煤層綜放工作面區(qū)段煤柱優(yōu)化設(shè)計研究

張 瑞

(山西潞安集團(tuán) 蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200)

1 工程概況

潞安集團(tuán)黑龍煤業(yè)2103綜放工作面開采9#+10#+11#煤，工作面開采范圍內(nèi)煤層厚度穩(wěn)定，9#煤與10+11#煤之間有一層夾矸厚度平均為1.6 m，10#與11#煤層合并。9#煤平均厚度0.8 m，10#+11#煤平均厚度4.8 m，煤層頂?shù)装鍘r性見表1. 2103工作面地面位置位于毛家溝村的南面，距毛家溝村220 m；煤層層位位于下水平9#+10#+11#煤層，與上水平2#煤層之間垂直距離69 m. 地面標(biāo)高：1 273～1 430 m，工作面標(biāo)高：1 050～1 235 m，蓋山高度：88～205 m，埋深較淺。

表1 頂?shù)装鍘r性表

2 區(qū)段煤柱優(yōu)化前的現(xiàn)場實(shí)測

為了掌握優(yōu)化前區(qū)段煤柱內(nèi)支承應(yīng)力的變化規(guī)律，確定合理煤柱的寬度，利用高精度ZLGH鉆孔應(yīng)力計測試工作面回采期間煤柱煤體應(yīng)力狀態(tài)[1]. 2101工作面回采為第一次采動影響下，通過應(yīng)力變化趨勢，確定采動影響下煤柱破壞范圍。2101工作面運(yùn)輸順槽與2103工作面回風(fēng)順槽間煤柱上檢測孔的布置見圖1，鉆孔垂直煤壁沿水平方向鉆進(jìn)，孔間距2.0 m，鉆孔深度為1～10 m，在正在回采的2101工作面一側(cè)和即將回采的2103工作面一側(cè)分別布置測點(diǎn)，觀測煤柱內(nèi)的應(yīng)力變化情況。

通過應(yīng)力計在2101工作面回采期間讀數(shù)的統(tǒng)計，整理后得到曲線圖，見圖2. 通過煤柱內(nèi)不同深度下煤體應(yīng)力狀態(tài)的變化，確定該范圍內(nèi)煤巖體處于塑性狀態(tài)還是彈性狀態(tài)。圖2a)為2101工作面一側(cè)煤柱應(yīng)力變化曲線，測試孔深度為9 m時，煤柱內(nèi)應(yīng)力曲線變化規(guī)律為先減小，后增大，隨后穩(wěn)定不變；測試孔深度為1.0 m、1.5 m、2.5 m、6 m時，區(qū)段煤柱內(nèi)煤巖體應(yīng)力變化可分為4個階段，距回采工作面40 m以外時為穩(wěn)定段；距工作面距離40～20 m為緩慢增長段；距離為20～-40 m時為快速增長階段；距離超過-40 m后繼續(xù)進(jìn)入到穩(wěn)定階段；鉆孔深度為3.0 m時，應(yīng)力峰值最大，豎直方向上的應(yīng)力最大增幅為2.86 MPa，導(dǎo)致該位置的煤體已經(jīng)完全塑性破壞，煤柱內(nèi)4.5 m處應(yīng)力雖有增加，但是增幅非常小，并且整體上增加量為負(fù)值。因此，因2101工作面回采導(dǎo)致區(qū)段煤柱靠近采空區(qū)一側(cè)的塑性破壞深度為3.0～4.5 m.

圖1 區(qū)段煤柱各個監(jiān)測鉆孔應(yīng)力計平面布置圖

圖2 2101工作面回采期間煤柱內(nèi)部應(yīng)力變化曲線圖

2101工作面回采引起區(qū)段煤柱在2103工作面一側(cè)應(yīng)力變化測試結(jié)果見圖2b). 煤柱內(nèi)豎直方向上應(yīng)力的變化整體呈現(xiàn)“平穩(wěn)—增大—減小—平穩(wěn)”的趨勢，測試孔深度為3.5 m、4.5 m、5 m時應(yīng)力變化規(guī)律基本同步，并且增幅較小，由此可以認(rèn)定該區(qū)域煤體處于彈性狀態(tài)，測試深度為2.5 m時，應(yīng)力值波動明顯，在工作面回采后又有較大的增加，而2.0 m處煤巖體應(yīng)力增加非常微小，因此可以認(rèn)為煤柱內(nèi)塑性破壞區(qū)為2.0～2.5 m.

2101工作面回采期間，對巷道圍巖的變形也進(jìn)行了觀測，巷道頂板下沉量最大約為2.0 cm，兩幫移進(jìn)量最大約為4.5 cm，整體上巷道非常穩(wěn)定，靠近采空區(qū)一側(cè)塑性破壞深度為3.0～4.5 m，靠近2103工作面一側(cè)破壞深度為2.0～2.5 m，區(qū)段煤柱完整性很高，由此可知30 m的區(qū)段保護(hù)煤柱在采動的影響下具有非常好的穩(wěn)定性。為了提高煤炭資源的利用率，提高該礦的經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)階段區(qū)段煤柱寬度雖然能夠滿足安全生產(chǎn)的需求，但是不利于生產(chǎn)效率和采出率的提高，因此決定對煤柱寬度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3 合理煤柱寬度理論分析

在2101工作面回采完畢后，采空區(qū)由直接頂巖層垮落充填，基本頂巖層破斷鉸接形成見圖3a)，其中塊體A為穩(wěn)定的上覆巖層，B為弧形三角塊，屬于穩(wěn)定與垮落的過渡階段，塊體C為完全垮落的巖層。由此可知，塊體B的穩(wěn)定對于區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性起決定性的作用[2-3].

圖3 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性分析示意圖

為了更加直觀地分析計算，將上覆巖層砌體梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，見圖3b).應(yīng)用多跨梁理論分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，根據(jù)實(shí)際情況，可以將煤柱煤巖體分為兩種狀態(tài)：1) 區(qū)段煤柱內(nèi)存在一定寬度的彈性核區(qū)，具有較好的支撐能力，即煤柱內(nèi)煤巖體處于彈性狀態(tài)。2) 區(qū)段保護(hù)煤柱煤巖體完全破壞，喪失了其支撐能力。通過計算可以得到大巷頂板巖層B點(diǎn)的撓度(x=x2)：

(1)

為了方便計算進(jìn)行如下簡化：

(2)

則可將式(1)化簡為：

WB=bP+cF+dQ+aq′

(3)

煤柱上覆巖層在均布載荷q′及集中載荷Q、P和F的作用下進(jìn)行彎曲變化，當(dāng)保護(hù)煤柱處于彈性狀態(tài)時有：

F=K|wB|=-KwB

(4)

F=-KdQ-Kaq′-Kbp-KcF

(5)

通過以上計算可知，當(dāng)煤柱處于彈性狀態(tài)下時F>Fs，此時煤柱具有足夠的支撐能力，能夠有效地保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。若區(qū)段保護(hù)煤柱全部變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，則F=Fs，這時區(qū)段煤柱已經(jīng)失去大部分的支撐能力，穩(wěn)定性非常差，就必須采取合理的補(bǔ)強(qiáng)措施，但是需要花費(fèi)大量的人力物力，不夠經(jīng)濟(jì)。因此，區(qū)段保護(hù)煤柱寬度的合理性在于是否能使區(qū)段煤柱中存在一定寬度的彈性核，使其承受上覆巖層的載荷，在工作面回采期間保證巷道的穩(wěn)定性，將圍巖變形控制在合理的范圍內(nèi)。為了確定能夠滿足上述要求的合理煤柱寬度，根據(jù)工作面情況分析研究煤柱寬度。

4 合理區(qū)段煤柱寬度模擬研究分析

利用FLAC3D軟件對潞安黑龍煤業(yè)2103工作面進(jìn)行數(shù)值模擬[4]，研究分析區(qū)段煤柱內(nèi)圍巖塑性區(qū)的發(fā)育情況，據(jù)此設(shè)計合理的煤柱寬度保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。黑龍煤業(yè)10+11#煤層平均厚度4.8 m，回采巷道斷面高度為3.8 m，寬4.5 m. 10+11#煤層平均埋深為160 m，上覆巖層平均容重為2.5×10 kN/m，垂直方向上施加的均布載荷P=(埋深-頂板厚度)×容重=3.5×103kN. 模擬方案為：在2101工作面回采后，2103工作面回采留設(shè)不同寬度的區(qū)段煤柱(11～21 m，2.0 m為一個梯度)，觀察兩個工作面回采后區(qū)段煤柱的應(yīng)力狀態(tài)。不同寬度區(qū)段煤柱的塑性區(qū)分布結(jié)果見圖4.

由圖4可知，煤柱兩側(cè)工作面回采引起煤柱內(nèi)的應(yīng)力重新分布，煤柱內(nèi)應(yīng)力過大產(chǎn)生一定范圍的塑性破壞區(qū)，區(qū)段煤柱寬度為13～21 m時，煤柱內(nèi)存在一定寬度的彈性區(qū)域，也存在一定的塑性區(qū)域，此時煤柱仍然具有較好的支承能力，能夠保證巷道的穩(wěn)定性；煤柱寬度為15～17 m時，煤柱內(nèi)部彈性核區(qū)的寬度為7.5～9.0 m，既有足夠的支承能力，又能提高工作面采出率；煤柱寬度大于17 m時，彈性核區(qū)寬度較大，選擇過于保守，不符合綠色高效開采的目的；當(dāng)煤柱寬度減小為11 m時，煤柱靠近底板的區(qū)域塑性破壞貫通，煤柱喪失了支承能力，無法保證巷道的穩(wěn)定性。由此可知，合理的煤柱寬度應(yīng)為17 m左右。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果、理論分析和數(shù)值模擬分析，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)多方面因素后，確定合理的煤柱寬度為17 m左右。

5 區(qū)段煤柱優(yōu)化后現(xiàn)場工業(yè)試驗

通過以上分析研究，最終在2103工作面運(yùn)輸順槽與2105工作面回風(fēng)順槽間區(qū)段煤柱寬度留設(shè)為17 m，同比減小了13 m. 在2103工作面回采期間對巷道圍巖的變形情況進(jìn)行觀測，整理后的結(jié)果見圖5.

圖5 巷道圍巖變形曲線圖

由圖5a)可以看出，2103工作面回采期間運(yùn)輸順槽頂板最大下沉量為48 mm，兩幫最大移近量為20 mm，在其服務(wù)期間圍巖穩(wěn)定性非常好。2103工作面回采引起2105回風(fēng)順槽變形。由圖5b)可知，頂板下沉量維持在40 mm以下，兩幫移近量維持在25 mm以下，巷道圍巖穩(wěn)定。根據(jù)工作面回采期間巷道圍巖的變形情況可知，區(qū)段煤柱寬度減小為17 m能夠滿足生產(chǎn)的需求。

6 結(jié) 論

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測，區(qū)段煤柱寬度為30 m時，靠近采空區(qū)一側(cè)煤柱內(nèi)塑性破壞深度為3.0～4.5 m，相鄰工作面一側(cè)破壞深度為2.0～2.5 m，區(qū)段煤柱穩(wěn)定性非常好，煤柱寬度過大。經(jīng)過理論分析和數(shù)值模擬，確定潞安黑龍煤業(yè)合理煤柱寬度應(yīng)為15～17 m，現(xiàn)場應(yīng)用及觀測結(jié)果表明，17.0 m區(qū)段煤柱最安全、合理。