基于SMP準則的煤柱合理尺寸研究

李江龍

(山西潞安集團 余吾煤業(yè)有限責任公司,山西 長治 046103)

在我國煤炭產(chǎn)量中厚煤層產(chǎn)量占比達到45%左右[1],而煤炭開采不可避免存在一定資源損失,其中損失量較大的主要是區(qū)段煤柱和頂煤冒放不充分,特別是在厚煤層放頂煤開采中,區(qū)段保護煤柱損失占有相當大的比例[2]。所以,有必要進行科學合理地設計區(qū)段保護煤柱尺寸,在滿足巷道穩(wěn)定的前提下盡量縮小煤柱寬度,對于減少煤炭資源損失意義重大。

晉煤集團趙莊二號井主采3#煤層,設計采用綜合機械化放頂煤方法開采,以往該礦根據(jù)工程經(jīng)驗采用30 m的區(qū)段保護煤柱,實踐表明該煤柱尺寸完全能夠保證巷道的正常使用,故需要進一步研究,能否對現(xiàn)有煤柱尺寸進行優(yōu)化,從而提高煤炭資源采出率,本文針對晉煤集團趙莊二號井西盤區(qū)2314工作面開采條件,進行區(qū)段寬煤柱合理尺寸留設相關理論研究,以期科學的指導生產(chǎn)。

1 煤層概況

趙莊二號井2314工作面位于西翼盤區(qū),開采3#煤層,平均埋深490 m,采用放頂煤開采。煤層平均厚度為4.7 m,煤層傾角為0°～8.5°,平均厚度為3 m。煤層直接頂為中厚層狀粉砂巖,厚度平均為3.94 m?；卷敒榛野咨毩Ｉ皫r,平均厚度為4.2 m。直接底為灰黑色炭質(zhì)泥巖及砂質(zhì)泥巖互層,平均厚度2.15 m?；镜诪樯罨疑凵皫r,平均厚度為5.3 m。3#煤層與圍巖力學測試結(jié)果如表1所示。

表1 3#煤層與圍巖力學測試結(jié)果Table 1 Mechanics testing of No.3 coal seam and surrounding rocks

2 應用SMP準則確定煤柱尺寸

現(xiàn)階段在進行區(qū)段煤柱尺寸研究的過程中,經(jīng)常應用的理論為Mohr-Coulomb準則以及A.H.Wilson簡化公式,但是這些理論公式均有一定的不完善之處。

1)通常人們會采用Mohr-Coulomb屈服準則確定煤柱塑性區(qū)的范圍,因該理論沒有考慮到中間主應力所帶來的影響,從而會導致計算結(jié)果過于保守。

2)目前煤柱中彈性核區(qū)范圍的確定往往是基于經(jīng)驗數(shù)據(jù),即彈性核區(qū)寬度近似等于2倍的采高,該結(jié)論沒有經(jīng)過嚴密的理論推導,正確與否還有待進一步確定。

外國學者Matsuoka等以空間滑動面(SMP)為依據(jù)創(chuàng)造性的提出了SMP屈服準則,根據(jù)該準則確定煤柱尺寸,不僅滿足Mohr-coulomb屈服準則,還可以避免偏平面內(nèi)Mohr-coulomb屈服準則產(chǎn)生的奇異性影響以及Drucker-prager準則的抗壓強度相等性的作用影響,并且能夠體現(xiàn)中間主應力的作用效果[3-5]。

應用SMP準則,利用極限平衡理論能夠得到區(qū)段煤柱寬度B表達式為:

(1)

針對趙莊二號井2314工作面,計算得B=24.72 m,即3#煤層區(qū)段保護煤柱理論尺寸不宜小于24.72 m。

3 區(qū)段煤柱合理尺寸數(shù)值模擬研究

3.1 模型設計和建立

1)模擬模型幾何尺寸為長×寬×高=380 m×160 m×60 m,計算模型如圖1所示。

2)以趙莊二號井西盤區(qū)開采條件進行模擬,相關的物理力學參數(shù)如表1所示。

3)本次數(shù)值模擬方案決定采用固定邊界條件,即對前后表面的y方向上進行固定,左右表面的x方向上進行固定,下表面的z方向上進行固定,而在模型上表面的z方向上采用應力邊界,根據(jù)埋深確定應力值為10.75 MPa。

4)本模型共劃分222 720個矩形網(wǎng)格,研究區(qū)域局部加密,利用雙屈服材料模擬垮落矸石對采空區(qū)進行充填,模型計算過程中采用Mohr-Coulomb準則進行判定。

圖1 計算模型Fig.1 Calculation model

3.2 模擬方案

結(jié)合理論計算結(jié)果,確定模擬方案時采用以下原則:將25 m的煤柱寬度作為中間值,通過增加或者減小煤柱尺寸,分別制定了19 m、21 m、23 m、25 m、27 m以及29 m六個煤柱寬度的模擬方案。

3.3 煤柱穩(wěn)定性確定指標

.(2)

趙莊二號井3#煤層的抗壓強度取平均值9.8 MPa,煤層普氏硬度f基本在0.4～1.32范圍內(nèi),屬于松軟煤層。因此，煤柱彈性核區(qū)率的最小值確定取0.65。

3.4 模擬結(jié)果分析

表2表示當煤柱的寬度分別取19 m、21 m、23 m、25 m、27 m與29 m的條件下,并且受到下個區(qū)段工作面采動影響時,區(qū)段煤柱中彈性核區(qū)率的模擬結(jié)果。

下區(qū)段工作面開采后,受上區(qū)段采空區(qū)頂板壓力與本區(qū)段采空區(qū)上覆巖層的雙重影響,煤柱的塑性破壞加劇,不同寬度煤柱的塑性區(qū)情況如圖2所示,數(shù)值模擬表明隨著煤柱寬度增加,核區(qū)率增大。在19 m的煤柱寬度下,煤柱兩側(cè)塑性區(qū)的寬度之和明顯大于中部彈性核區(qū)的寬度;在煤柱寬度取23 m的情況下,煤柱中塑性區(qū)的范圍會進一步縮小,彈性核區(qū)的范圍進一步增大,此時煤柱中部彈性核區(qū)的范圍為13 m,核區(qū)率為0.56;繼續(xù)增大煤柱尺寸,在其取25 m的情況下,煤柱中部彈性核區(qū)的范圍能達到16.5 m,核區(qū)率為0.66,根據(jù)上述煤柱穩(wěn)定性彈性核區(qū)率指標判定,煤柱能夠保持相對穩(wěn)定。同時,當煤柱的寬度大于25 m之后,繼續(xù)增大煤柱的寬度已經(jīng)無法減小塑性區(qū)的寬度,只能進一步增大彈性核區(qū)的寬度。結(jié)合上節(jié)理論結(jié)算結(jié)果確定3#煤層區(qū)段保護煤柱尺寸為25 m。

表2 下區(qū)段工作面回采時不同寬度煤柱的彈性核區(qū)率統(tǒng)計Table 2 Elastic kernel curvature of coal pillars with different widths on the mining of lower section working face

圖2 不同寬度煤柱的塑性區(qū)情況Fig.2 Plastic zones of coal pillars with different widths

4 現(xiàn)場實踐效果分析

根據(jù)上述理論計算與數(shù)值模擬分析,確定3#煤層區(qū)段保護煤柱合理尺寸為25 m,并在現(xiàn)場進行了實施。在工作面推進過程中通過在巷道頂?shù)装逡约皟蓭驮O置相應測站,針對圍巖變形進行觀測并記錄,分析論證所得數(shù)據(jù),從而驗證該煤柱留設方案的可行性。圖3為工作面初采階段軌道巷的圍巖變形監(jiān)測結(jié)果。

由圖3得出,在工作面初采階段,軌道巷圍巖變形量不斷增大,其中在頂?shù)装宸较蛑饕憩F(xiàn)為頂板下沉,底鼓量相對較小,頂?shù)装逡平孔畲笾?7 mm,兩幫移近量最大值190 mm。在工作面推進過程中,工作面距測站距離達到51.6 m的時候,測站處巷道頂?shù)装彘_始出現(xiàn)變形,而工作面到測站距離縮小到32.8 m時,此時頂?shù)装宓淖冃瘟棵黠@增大,在監(jiān)測過程中巷道頂?shù)装逡平俣茸畲笾颠_到30 mm/d。在工作面距測站距離為56.8 m的時候,兩幫開始出現(xiàn)變形,當工作面到測站距離縮小到31.6 m時,兩幫變形速度顯著增大,在監(jiān)測過程中巷道兩幫最大移近速度為25 mm/d。

3-a 巷道圍巖位移變化曲線

3-b 巷道圍巖移近速度變化曲線圖圖3 軌道巷圍巖變形監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Monitoring results of surrounding rock deformation in track transportation roadway

上述監(jiān)測結(jié)果表明,采用25 m的區(qū)段保護煤柱留設方案后,工作面推進過程中巷道圍巖變形量在可接受范圍內(nèi),穩(wěn)定性較好,因此該方案具有一定的可行性。

5 結(jié)論

1)基于考慮中間主應力影響的SMP破壞屈服準則,理論計算出區(qū)段煤柱合理尺寸應不小于24.72 m。

2)利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,構建3#煤層區(qū)段煤柱模型,分別計算區(qū)段煤柱在不同寬度條件下的彈性核區(qū)率,依據(jù)煤柱穩(wěn)定性指標即采用彈性核區(qū)率判定,可以得出設計工作面的區(qū)段煤柱寬度應不小于25 m。

3)結(jié)合理論和數(shù)值模擬分析結(jié)果確定趙莊二號井3#煤層西盤區(qū)工作面區(qū)段煤柱留設尺寸為25 m較為合理。

4)根據(jù)現(xiàn)場巷道圍巖監(jiān)測結(jié)果,工作面推進過程中,巷道圍巖變形量在可接受范圍內(nèi),巷道穩(wěn)定性較好。