黑龍煤業(yè)2103工作面停采線合理位置確定

左文錄

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

1 工作面概況

黑龍煤業(yè)2103綜采工作面位于11號(hào)煤層21采區(qū)，工作面主采9+10+11號(hào)煤層，9號(hào)煤與10+11號(hào)煤之間有一層厚度平均為1.6 m的夾矸，10號(hào)與11號(hào)煤層合并，9號(hào)煤平均厚度0.8 m，10+11號(hào)煤平均厚度4.8 m，故9+10+11號(hào)煤層平均厚度為7.2 m，平均傾角為4°，煤層偽頂為泥巖，均厚0.4 m，基本頂為石灰?guī)r，均厚13.7m，直接底為泥巖，均厚7.42 m，基本底為細(xì)砂巖，均厚3.43 m，煤層頂?shù)装鍘r層特征如表1所示。工作面沿走向布置，傾向長(zhǎng)度190.5 m，走向可采長(zhǎng)度為655 m；東面為9+10+11號(hào)煤層運(yùn)輸大巷、軌道大巷、回風(fēng)大巷；西面為礦井井田邊界保護(hù)煤柱；北面是未開采區(qū)域；南面為已采2101工作面，與原2101回風(fēng)巷之間保護(hù)煤柱30 m。為提高煤炭資源采出率，對(duì)2103工作面停采線的合理位置進(jìn)行了研究。

2 煤柱覆巖結(jié)構(gòu)分析

在工作面回采過程中，隨著工作面與大巷距離不斷縮小，當(dāng)工作面推進(jìn)至一定程度時(shí)，基本頂會(huì)在大巷煤柱上方出現(xiàn)破斷，形成鉸接結(jié)構(gòu)，并以斷裂線為旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在基本頂旋轉(zhuǎn)下沉至與采空區(qū)矸石接觸時(shí)，此時(shí)基本頂?shù)男D(zhuǎn)下沉便會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，上覆巖層的荷載會(huì)通過鉸接結(jié)構(gòu)向煤柱內(nèi)部傳遞，在煤柱內(nèi)部形成應(yīng)力降低區(qū)、增高區(qū)及穩(wěn)壓區(qū)[1-2]，具體煤柱應(yīng)力分布情況如圖1所示。

圖1 工作面回采后應(yīng)力分區(qū)示意

在工作面回采后，上方基本頂會(huì)發(fā)生垮落，形成砌體梁結(jié)構(gòu)，如圖2(a)，為了進(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)砌體梁進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用多跨梁的理論進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化后模型如圖2(b)，圖中q' 為基本頂承受的均布載荷；P1為大巷內(nèi)對(duì)頂板的支護(hù)力；q為關(guān)鍵塊體B上的受力；K為煤柱的等效彈性模量，θ為塊體B的傾斜角度；F1為關(guān)鍵塊體B受到垮落矸石的支撐力；F為煤柱的實(shí)際支撐力；FS為煤柱等效塑性支撐力；FN為垮落矸石對(duì)塊體B的支撐力；F2為垮落矸石對(duì)塊體C的支撐力?，F(xiàn)為方便分析，假設(shè)煤柱存在兩種狀態(tài)，一種狀態(tài)為大巷煤柱內(nèi)存在一定寬度的彈性核區(qū)，此時(shí)的煤柱處于彈性狀態(tài)，當(dāng)大巷煤柱處于全部塑性破壞狀態(tài)時(shí)，視為煤柱處于塑性狀態(tài)。

圖2 回采完畢后砌體梁結(jié)構(gòu)受力

基于理論分析能夠得出，大巷煤柱作用點(diǎn)B的撓度wb，如式(1)所示：

(1)

為方便計(jì)算，對(duì)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，分別設(shè)：

轉(zhuǎn)化后的公式為：

wb=μP1+χF+δQ+αq'

(2)

煤柱在集中應(yīng)力F、Q、P1、q' 的共同作用下，基本頂破斷后的懸臂梁會(huì)產(chǎn)生向下彎沉的現(xiàn)象，則基于大巷處于彈性狀態(tài)和塑性狀態(tài)時(shí)，能夠得出煤柱的實(shí)際支撐力狀態(tài)如下：

1) 煤柱處于彈性狀態(tài)時(shí)，此時(shí)2F+qx0

2) 煤柱處于塑性階段時(shí)，此時(shí)2F+qx0>Fs，此時(shí)煤柱內(nèi)存在著很小的彈性核區(qū)，或者不存在彈性核區(qū)，煤柱不能承受住上覆巖層傳遞過來的應(yīng)力，在煤柱內(nèi)部會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞，煤柱基本全部處于塑性狀態(tài)。

3 合理停采位置分析

3.1 大巷煤柱合理寬度確定

3.1.1 理論分析

工作面回采過程中，覆巖的垂直應(yīng)力會(huì)逐漸向前移動(dòng)，工作面前方的支撐壓力也會(huì)逐漸增大，回采工作面在煤壁前方會(huì)形成支承壓力集中現(xiàn)象，煤柱在采動(dòng)影響下的彈塑性分布如圖3所示，圖中L1和L3區(qū)域?yàn)槊褐乃苄詤^(qū)，L2為煤柱的彈性核區(qū)[3-4]。

圖3 采動(dòng)影響下煤柱彈塑性分布

應(yīng)用彈塑性極限平衡理論可知，在保障護(hù)巷煤柱寬度內(nèi)存在一定寬度的彈性核區(qū)時(shí)，彈性核區(qū)的寬度L2應(yīng)為煤層開采高度的三倍，合理護(hù)巷煤柱寬度L、塑性區(qū)L1、L3的計(jì)算式如下：

L=k(L1+3M+L3)

(3)

式中：k為安全系數(shù)；M為煤層厚度，取7.2 m；c為煤層與頂?shù)装褰佑|時(shí)的粘聚力，取0.8 MPa；d為開采擾動(dòng)因子，取3.1；β為彈性核區(qū)域屈服界面處的側(cè)壓系數(shù)，取0.21；σz1為煤柱的極限抗壓強(qiáng)度，取11.94 MPa；Px為煤壁的側(cè)向約束力，取1.0 MPa；r0為回風(fēng)大巷巷道寬度的一半，取2.5 m；g為重力加速度，取9.8；h為煤層的開采深度，取230 m；pi為巷道一側(cè)的支護(hù)阻力，取0.55 MPa；φ為煤層與頂板接面的摩擦角，取21°。

將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得到：L1=8.62 m，L3=1.0 m，L2取3M為21 m，k取1.3，最后得到合理大巷護(hù)巷煤柱寬度L=39.8 m。

3.1.2 數(shù)值模擬

為進(jìn)一步確定2103工作面停采線的合理位置，現(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)2103工作面的地質(zhì)情況，建立長(zhǎng)×寬×高=250 m×100 m×50 m的數(shù)值模型，在模型左右邊界分別留設(shè)20 m的邊界，分別模擬大巷煤柱寬度為50 m、46 m、44 m、42 m時(shí)，煤柱塑性區(qū)的發(fā)育情況，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同大巷煤柱寬度下煤柱塑性區(qū)發(fā)育情況

由圖4可知，煤柱寬度為50 m時(shí)，大巷煤柱區(qū)域存在著部分塑性區(qū)域，煤柱在靠近工作面?zhèn)却嬖谥?～5 m的塑性破壞區(qū)域，煤柱整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，隨著煤柱寬度的減小，大巷煤柱彈性區(qū)的范圍逐漸減小，塑性區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大，且大巷煤柱幫的塑性區(qū)范圍也在逐漸擴(kuò)大，表明大巷圍巖的變形量隨著煤柱寬度的減小在逐漸增大，在大巷煤柱寬度為44 m時(shí)，此時(shí)靠近回風(fēng)大巷側(cè)存在著5 m的彈性區(qū)，該區(qū)域煤體未破壞，有穩(wěn)定的承載能力，當(dāng)煤柱寬度為42 m時(shí)，煤柱已經(jīng)全部處于塑性狀態(tài)，無法有效形成承載結(jié)構(gòu)。通過具體分析數(shù)值模擬結(jié)果，得出當(dāng)煤柱寬度為42 m時(shí)，煤柱內(nèi)部呈現(xiàn)出單峰分布，當(dāng)煤柱寬度在44 m以上時(shí)，煤柱內(nèi)部呈現(xiàn)雙峰分布。

基于理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果，綜合2103工作面和回風(fēng)大巷的具體地質(zhì)情況，確定2103工作面與回風(fēng)大巷間的煤柱寬度為44 m，即2103工作面停采線位置距離回風(fēng)大巷間的煤柱寬度為44 m。

3.2 效果分析

為有效驗(yàn)證2103工作面與回風(fēng)大巷間煤柱留設(shè)寬度的合理性，在2103工作面回采期間，通過在煤柱內(nèi)安設(shè)鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，在煤柱上分別打設(shè)1～8 m深度的鉆孔，鉆孔直徑為40 mm，具體煤柱應(yīng)力計(jì)安裝如圖5(a)所示，支撐應(yīng)力-工作面與停采線距離的變形曲線，如圖5(b)所示。

由圖5(b)可知，深度為8 m的鉆孔應(yīng)力計(jì)初始應(yīng)力為2.90 MPa，該應(yīng)力基本與巷道該深度處的原巖應(yīng)力相同，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，應(yīng)力有所增大，增加幅度較小，僅增加了0.36 MPa，另外其余2 m、4 m、6 m的鉆孔應(yīng)力計(jì)的變化規(guī)律基本與8 m鉆孔應(yīng)力計(jì)的變化趨勢(shì)相同，6 m鉆孔的初始應(yīng)力和最終應(yīng)力分別為2.80 MPa和3.15 MPa，1 m深度的鉆孔應(yīng)力計(jì)中的應(yīng)力值較小，鉆孔應(yīng)力的最大值為1.25 MPa，且該深度鉆孔應(yīng)力計(jì)隨著回采作業(yè)的進(jìn)行鉆孔應(yīng)力出現(xiàn)降低，表明煤體在1 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了塑性破壞，但煤體仍具有一定的承載能力，由此可知，留設(shè)44 m的煤柱時(shí)，煤柱內(nèi)存在較大的彈性核區(qū)，能夠保障煤柱和回風(fēng)大巷的穩(wěn)定。

圖5 鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝位置及數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié) 語

根據(jù)2103工作面與11號(hào)煤層回風(fēng)大巷的地質(zhì)條件，通過分析大巷煤柱上方覆巖結(jié)構(gòu)及變形規(guī)律，采用理論計(jì)算結(jié)合數(shù)值模擬的方法，綜合確定出工作面停采線位置距離回風(fēng)大巷的煤柱寬度為44 m，既保障了11號(hào)煤層回風(fēng)大巷的穩(wěn)定，又減少了煤炭資源的浪費(fèi)。