馬脊梁礦8113工作面沿空掘巷窄煤柱合理尺寸探討

王英杰 劉宏

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司馬脊梁礦,山西大同)

1 前言

工作面開采過程中,上覆巖層活動劇烈,礦壓顯現(xiàn)復(fù)雜,并由此帶來的應(yīng)力集中現(xiàn)象,也更容易發(fā)生煤與瓦斯突出。而為了縮短回采巷道掘進(jìn)準(zhǔn)備時間,工程上更多地采用沿空掘巷,留窄煤柱的方式[1]。煤柱寬度越窄,礦區(qū)資源的回收率也就越高,帶來的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)也就越顯著,但同時煤柱內(nèi)及巷道的變形也就越強烈[2],準(zhǔn)確地確定工作面的沿空巷道煤柱的尺寸對于節(jié)約資源和安全生產(chǎn)具有重大意義。

2 沿空掘巷窄煤柱合理寬度理論計算

相關(guān)理論認(rèn)為,區(qū)段煤柱的寬高比(W/H)在很大程度上制約著煤柱及巷道的穩(wěn)定,一般認(rèn)為W/H 在3～5 之間為屈服煤柱,W/H 在5～10 之間為臨界煤柱,W/H 大于10稱為支撐煤柱[3]?，F(xiàn)場實踐表明,屈服煤柱在有效減小沖擊礦壓,抑制巷道內(nèi)的底鼓問題時具有很好的作用。屈服煤柱是允許煤柱和巷道產(chǎn)生一定的變形,通過將載荷轉(zhuǎn)移到周圍實體煤的形式,降低其集中應(yīng)力程度,對防止由于大量聚集的彈性能的突然釋放而造成的沖擊礦壓現(xiàn)象具有重要意義。所以選用較小寬度的屈服煤柱,既能減小礦井煤炭資源的損失、又能增強沿空巷道及煤柱的穩(wěn)定性。

根據(jù)沿空掘巷煤柱寬度留設(shè)的基本要求,在簡化計算模型和增強錨桿錨固力的前提下,綜合分析影響圍巖穩(wěn)定性的主控因素,并按照小煤柱護(hù)巷技術(shù)把回采巷道布置在靠近采空區(qū)側(cè)的卸壓區(qū)內(nèi)的原則,文獻(xiàn)[4]給出了合理煤柱寬度B 的計算公式：

式中,X1為采空區(qū)側(cè)煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度,m；X2為幫錨桿的有效長度,m；X3為考慮煤層厚度較大而增加的富裕量,一般取(X1+X2)的30～50%。

煤柱采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)長度X1計算公式如下：

式中,m為煤層厚度,m；A為測壓系數(shù)；φ0為煤體的內(nèi)摩擦角,°；C0為煤體的粘聚力,MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層的平均容重,kg/m3；H為巷道埋深,m；PZ為支架對巷幫的支護(hù)阻力,在采空區(qū)側(cè)取值為零。

根據(jù)煤柱寬度理論計算根據(jù)8113 工作面的實際情況,將相關(guān)參數(shù)帶入以上計算公式得到煤柱留設(shè)寬度B在6.5 m～8 m 較為合理。

3 工作面沿空掘巷窄煤柱數(shù)值模擬分析

3.1 工程開采地質(zhì)條件

該工作面地表位于窯洞村北西方向、馬脊梁大溝兩側(cè),地表為溝谷相間的黃土地貌,洪水沖刷劇烈,“V”字型溝谷發(fā)育,主要發(fā)育馬脊梁大溝、達(dá)子溝及其支溝,其余大部分為耕地、幼樹、荒草地,有5條村村通公路穿越該工作面,地面高差為88.2 m。地面標(biāo)高為1 280.3 m～1 368.5 m。

工作面位于14-3#一水平301-2 盤區(qū),工作面標(biāo)高為852.3 m～904.1 m,傾向長度為239.4 m,走向長度為2 377.0 m,工作面傾角為1°～5°,平均3°。其地質(zhì)柱狀圖如圖所示。

3.2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

工作面煤層為穩(wěn)定型煤層,可采指數(shù)為1,含1～6層夾矸,厚0.05 m～2.15 m,純煤平均厚6.1 m,夾矸巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,局部有煌斑巖,由于煌斑巖侵入,使一部分煤發(fā)生變質(zhì),從而形成變質(zhì)煤和硅化煤。

老頂為含礫粗砂巖,厚度2.0 m～12.02 m,平均5.57 m,灰白色,中厚層狀,分布不均,分選性差。直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚度0.75 m～3.0 m,平均2.83 m,深灰色、塊狀,易碎,斷口平坦,局部含有鋁土巖,灰白色,塊狀,膠結(jié)致密。

工作面煤層頂板未發(fā)現(xiàn)偽頂。

煤層直接底為高嶺巖,厚度2.77 m～4.0 m,平均3.39 m,灰色,致密膠結(jié),性脆易碎,含少量煤屑,斷端口平坦。老底為粗砂巖至含礫粗砂巖,厚度4.20 m～10.70 m,平均7.44 m,灰白色,礫石成分石英、長石,含少量暗色礦物,膠結(jié)松散,半堅硬。

3.3 數(shù)值模擬分析

以該8113工作面的工程地質(zhì)條件為研究對象,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。建立了一個以x 軸為地層走向,y 軸為地層傾向,z 軸為垂直方向的三維模型。模型尺寸為700 m×250 m×250 m,模擬巖層為11 層。8113工作面兩側(cè)分別為8111工作面和8115 工作面,在上下兩個工作面采完之后,8113 工作面回風(fēng)順槽和運輸順槽與采空區(qū)之間留有窄煤柱。工作面埋深平均550 m,工作面開采寬度為270 m,地層傾角取平均值11°。工作面前后均設(shè)50 m的邊界煤柱。根據(jù)工作面埋深550 m,計算得到模擬時的垂直應(yīng)力為11.5 MPa。模型四周限制位移條件,側(cè)面在水平方向上固定,底面在垂直方向上固定。測壓系數(shù)取0.61,選取摩爾-庫倫準(zhǔn)則對數(shù)值方案進(jìn)行模擬。

為確保模型計算結(jié)果的精確性,在x 軸和y 軸方向上,確保每個網(wǎng)格單元為5 m,煤層區(qū)域適當(dāng)加密,最終模型共392 000 個單元。加載地應(yīng)力后,模型運算至收斂平衡。按照采場的實際開采順序,在模型建構(gòu)好之后,先開挖8111 工作面,穩(wěn)定后再開挖8115工作面,最后按每30 m 一步,共開挖150 m 的距離分步開挖8113工作面。

圖1 數(shù)值模型示意圖

為研究工作面沿空掘巷情況下煤柱應(yīng)力及穩(wěn)定性情況,首先對留設(shè)的窄煤柱寬度進(jìn)行分析研究,根據(jù)前文計算得到的煤柱寬度理論計算值,將模擬寬度選為3 m、5 m、7 m、9 m 四種情況,根據(jù)不同情況下煤柱應(yīng)力及位移情況確定最佳寬度。

圖2 不同寬度煤柱下應(yīng)力分布

從上圖中可以看出,當(dāng)煤柱寬度為3 m 時,在沿空掘巷巷道的右側(cè)實體煤中出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū),集中區(qū)距離巷道煤壁約10 m 左右,應(yīng)力峰值為22.6 MPa,此時與煤柱接觸的頂?shù)装鍏^(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力減小現(xiàn)象,煤柱中心壓力峰值達(dá)到29.02 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)為1.7。說明此時煤柱破壞開始從上下部分向中部塑性發(fā)育,煤柱狀態(tài)并不穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度為5 m 時,巷道右側(cè)實體煤中應(yīng)力集中范圍減小,距巷道煤壁7m 左右,峰值為22.5 MPa,但較3 m 煤柱集中應(yīng)力的面積也明顯減小,煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值為28.98MPa,較3m 時變化幅度不大,但集中范圍貫穿整個煤柱,此時整個煤柱正在承受較大應(yīng)力,如果應(yīng)力加大則極有可能出現(xiàn)破壞狀況；當(dāng)煤柱寬度為7 m 時,此時煤柱內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū),集中范圍在3 m～4 m,集中區(qū)的應(yīng)力峰值25.2 MPa,說明此時煤柱內(nèi)部出現(xiàn)了較穩(wěn)定的區(qū)域,即煤柱“核區(qū)”,煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)煤柱寬度為9 m 時,此時煤柱內(nèi)部的核區(qū)寬度處于煤柱中心位置,范圍在4 m～5 m,核心區(qū)應(yīng)力峰值25.3 MPa,與煤柱寬度為7 m 時相差不大,說明繼續(xù)加大煤柱寬度并不能將核區(qū)范圍顯著增加,但卻會進(jìn)一步浪費煤炭資源。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)分析可知,,確定合適的煤柱留設(shè)寬度為7 m。

圖3 留設(shè)7 m煤柱時工作面回采過程中應(yīng)力分布

根據(jù)前文前文確定的7 m 窄煤柱留設(shè)寬度,模擬8113 工作面回采過程中分別開挖30 m、60 m、90 m、120 m、150 m 情況下的煤柱受力情況,根據(jù)工作面回采過程中煤柱受力特征的模擬結(jié)果分析可知,工作面進(jìn)行回采時上下煤柱受力情況比沿空掘巷時復(fù)雜的多,且表現(xiàn)為上煤柱應(yīng)力峰值要小于下煤柱應(yīng)力峰值。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn),煤柱所受的最大應(yīng)力值由25 MPa 增加到40 MPa,與未開挖時相比,應(yīng)力峰值出現(xiàn)先減小后增大的趨勢,這是由于開切眼后造成應(yīng)力向周邊轉(zhuǎn)移而持續(xù)開挖后煤柱承受工作面支承應(yīng)力的緣故。開挖過程中,煤柱并未出現(xiàn)應(yīng)力減小或分布不均的情況,說明在此煤柱留設(shè)寬度下,工作面開挖帶來的應(yīng)力增大并未對留設(shè)煤柱穩(wěn)定性造成影響,7 m的留設(shè)煤柱寬度是合理的。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)沿空掘巷情況下煤柱寬度留設(shè)的基本原則,計算得到8113 工作面煤柱留設(shè)寬度理論值B 在6.5 m～8 m 較為合理。

(2)模擬了不同煤柱寬度下的工作面的應(yīng)力分布,確定8113工作面煤柱留設(shè)的合理寬度為7 m。

(3)模擬了8113 工作面回采過程不同開挖距離下,煤柱寬度為7 m 條件模擬煤柱應(yīng)力分布情況,開挖過程中,煤柱并未出現(xiàn)應(yīng)力減小或分布不均的情況,說明在此煤柱留設(shè)寬度下,工作面開挖帶來的應(yīng)力增大并未對留設(shè)煤柱穩(wěn)定性造成影響,7m 的留設(shè)煤柱寬度是合理的。