深埋強(qiáng)沖擊煤層工作面區(qū)段煤柱寬度確定

石超弘，蘇士杰，丁國利，于輝華，解嘉豪

(1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司煤炭分公司 葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；2.中煤能源研究院防沖控水研究所，陜西 西安 710054)

區(qū)段煤柱是起支撐作用的主體結(jié)構(gòu)，主要用于隔離采空區(qū)、保證相鄰回采巷道圍巖穩(wěn)定，所以，回采巷道的變形破壞很大程度上取決于煤柱留設(shè)寬度。正確合理的煤柱尺寸可以最大限度地降低巷道圍巖的應(yīng)力集中程度，緩解開采過程中的沖擊危險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，10%左右的沖擊地壓事故是由于不合理煤柱寬度導(dǎo)致應(yīng)力異常集中誘發(fā)沖擊[1-7]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤柱合理尺寸的確定方法進(jìn)行了很多研究，對(duì)于區(qū)段煤柱留設(shè)分以下幾種：一是留設(shè)大煤柱，確保上、下回采工作面采動(dòng)互不影響，但該種煤柱內(nèi)存在彈性應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)[8]，會(huì)造成本煤層臨空大煤柱巷道處于高應(yīng)力區(qū)，當(dāng)下伏煤層開采時(shí)應(yīng)力集中程度升高、沖擊危險(xiǎn)程度上升；二是留設(shè)小煤柱[9]，但煤柱過寬可能躲不過應(yīng)力增高區(qū)或是煤柱過窄起不到護(hù)巷作用，且受地質(zhì)條件限制，煤柱尺寸不能完全依賴經(jīng)驗(yàn)設(shè)定；三是無煤柱開采。文獻(xiàn)[10-12]通過有限差分軟件FLAC3D分析了工作面回采期間不同煤柱寬度下巷道圍巖應(yīng)力與位移演化特征；文獻(xiàn)[13-15]采用FLAC 研究了煤柱應(yīng)力、圍巖變形與煤柱寬度之間的關(guān)系; 徐佑林等[16]建立FLAC3D模型分析了動(dòng)壓對(duì)塑性區(qū)發(fā)育范圍的影響。文獻(xiàn)[17-19] 則通過離散元軟件UDEC研究了窄煤柱合理寬度以及不同區(qū)段煤柱寬度下的區(qū)段煤柱應(yīng)力分布規(guī)律。丁自偉等[20]通過分析Wilson兩區(qū)約束理論的問題與不足，修正了有關(guān)塑性區(qū)寬度和礦柱強(qiáng)度的計(jì)算公式。本文以葫蘆素煤礦21103工作面為研究背景，采用理論方法、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測方法，對(duì)煤柱極限平衡區(qū)寬度進(jìn)行了計(jì)算，從煤柱應(yīng)力和圍巖變形兩方面入手構(gòu)建了不同煤柱寬度下的數(shù)值模擬運(yùn)算，并結(jié)合煤柱不同深度應(yīng)力監(jiān)測方案，綜合分析確定出適于葫蘆素煤礦地質(zhì)條件下的合理煤柱尺寸。

1 礦井概況

葫蘆素煤礦目前主采2-1煤層，埋深達(dá)650m，經(jīng)鑒定煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性，頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，2-1煤層布置5個(gè)盤區(qū)，現(xiàn)回采一盤區(qū)、二盤區(qū)，21103工作面是葫蘆素煤礦東翼一盤區(qū)繼首采面21102工作面的第2個(gè)工作面，工作面區(qū)段煤柱留設(shè)30m，兩巷均采用錨網(wǎng)索支護(hù)，錨桿規(guī)格為?22mm×2500mm，錨索規(guī)格為?21.8mm×7200mm。21103工作面布置如圖1所示。

圖1 21103工作面布置

根據(jù)前期研究表明：區(qū)段煤柱受多次擾動(dòng)內(nèi)部積聚了大量壓縮彈性能，下工作面回采時(shí)，受移動(dòng)超前支承壓力、硐室及聯(lián)巷周邊集中應(yīng)力的影響，臨空寬煤柱內(nèi)靜載荷水平進(jìn)一步升高，在頂板斷裂等強(qiáng)動(dòng)載作用下，瞬間達(dá)到煤柱沖擊失穩(wěn)的臨界載荷，導(dǎo)致抗沖擊能力降低的巷道圍巖瞬間被破壞形成沖擊顯現(xiàn)事故。

2 合理煤柱尺寸確定

2.1 合理煤柱尺寸的理論計(jì)算

臨空煤柱力學(xué)模型如圖2所示，根據(jù)煤巖體極限平衡理論推導(dǎo)出煤柱能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的計(jì)算公式，得出合理煤柱寬度B：

B=x1+x2+x3

(1)

式中，x1為采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi)形成的極限平衡區(qū)寬度，m；x2為錨桿錨固段至巷道煤壁的寬度，m；x3為安全寬度，m。

圖2 臨空煤柱力學(xué)模型

根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則和彈性力學(xué)可推導(dǎo)得出采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi)部形成的極限平衡區(qū)寬度[21]：

式中，M為巷道高度，取2.8m；α為煤層傾角，取0°；β為側(cè)壓系數(shù)，β=μ/(1-μ)=0.41,其中，μ為泊松比，取0.3；φ為內(nèi)摩擦角，取40°；c為粘聚力，取2.3kN/m2；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.3；H為煤層埋深，取650m；γ為上覆巖層平均體積力，取25kN/m3；Px為上工作面回采巷道支架的支護(hù)阻力，由于上工作面已回采，因此取0。

由式(2)可以得出，x1=5.6m；根據(jù)2-1煤層巷道支護(hù)參數(shù)可知，x2=2.4m。

安全寬度x3=0.15(x1+x2)～0.35(x1+x2)。那么，根據(jù)理論推導(dǎo)得出區(qū)段煤柱寬度B=9.1～10.7m。

2.2 不同煤柱寬度的數(shù)值模擬分析

工作面間區(qū)段煤柱寬度對(duì)煤礦沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生具有重要影響。對(duì)區(qū)段煤柱寬度的研究要同時(shí)兼顧考慮應(yīng)力與變形兩方面因素。在應(yīng)力方面，合理的區(qū)段煤柱應(yīng)使巷道避開采空區(qū)支承壓力峰值區(qū)，且煤柱內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)得到充分釋放，煤柱內(nèi)無“彈性核”區(qū)；在位移方面，區(qū)段煤柱應(yīng)具有一定的承載能力和穩(wěn)定性。

2.2.1 應(yīng)力分析

在應(yīng)力方面，結(jié)合葫蘆素煤礦保護(hù)層開采的特點(diǎn)，分別研究了2-1煤層綜采工作面回采巷道在5m、10m、15m、20m、25m、30m、40m、50m等不同的煤柱寬度條件下，采場圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律，并進(jìn)行了類比分析。模型與葫蘆素煤礦實(shí)際開采條件相同，模擬方案如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬煤柱模型方案

不同寬度煤柱頂板垂直應(yīng)力分布如圖4所示，從圖4可以看出，煤柱寬度從5m變化到50m時(shí)，煤柱應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢，煤柱寬度為15m時(shí)應(yīng)力最高，此時(shí)煤柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)可高達(dá)4.8，沖擊危險(xiǎn)性最強(qiáng)；煤柱寬度為5m時(shí)應(yīng)力最低，此時(shí)煤柱幾乎完全壓酥，煤柱內(nèi)應(yīng)力充分釋放，沖擊危險(xiǎn)較低。

圖4 不同寬度煤柱頂板垂直應(yīng)力分布曲線

綜上，從應(yīng)力區(qū)段煤柱寬度小于5m時(shí)對(duì)防沖最為有利，當(dāng)區(qū)段煤柱寬度處于15～20m是最危險(xiǎn)的情況，整體有：σ(15m)>σ(20m)>σ(25m)>σ(30m)>σ(40m)>σ(50m)>σ(10m)>σ(7m)>σ(5m)。

峰值應(yīng)力大小分析：σ(15m)>σ(20m)>σ(25m)>σ(30m)>σ(40m)>σ(50m)>σ(10m)>σ(7m)>σ(5m)。煤柱應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢，煤柱寬度為15m時(shí)應(yīng)力最高，10m煤柱峰值應(yīng)力與50m煤柱效果接近，從峰值應(yīng)力大小來看，10m煤柱在應(yīng)力水平上要低于10m以上煤柱，但安全性上較10m以下煤柱要高。

峰值應(yīng)力分布分析：5m煤柱峰值應(yīng)力最小，但巷道實(shí)體煤幫處會(huì)出現(xiàn)最大的峰值應(yīng)力，工作面?zhèn)葧?huì)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，15m煤柱時(shí)，煤柱側(cè)幫會(huì)出現(xiàn)最大的峰值應(yīng)力。

2.2.2 位移分析

采用數(shù)值模擬對(duì)不同寬度煤柱的變形特征進(jìn)行分析。模擬巷道寬度為5m×5m，巷道左幫為實(shí)體煤，右?guī)蜑槊褐?，煤柱右?cè)為采空區(qū)。在模擬條件下，對(duì)5～50m煤柱寬度時(shí)巷道的頂板、底板、實(shí)體煤幫及煤柱側(cè)幫位移數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為便于觀察，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行放大10倍處理，并將其投影于5m×5m的網(wǎng)格內(nèi)，繪制得出不同煤柱寬度的巷道位移曲線，如圖5所示。根據(jù)模擬煤柱寬度從5～50m巷道位移數(shù)據(jù)可得：①對(duì)于巷道頂板，其位移量逐級(jí)遞減，即：U(5m)>U(10m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m) ；②對(duì)于巷道底板，其位移量逐級(jí)遞減，即：U(5m)>U(10m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m) ；③對(duì)于巷道實(shí)體煤幫，其位移量逐級(jí)遞減，其中煤柱寬度從5m增加到20m時(shí)其遞減速率最快，從20m增加到50m時(shí)遞減速率逐漸減慢，位移量從大到小排序?yàn)椋篣(5m)>U(10m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m) ；④對(duì)于巷道煤柱側(cè)幫，其位移量先增大后減小，10m煤柱時(shí)右?guī)臀灰屏孔畲?，在煤柱寬度超過20m之后，煤柱幫位移遞減速率逐漸減慢，位移量從大到小排序?yàn)椋篣(10m)>U(5m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m)。

從應(yīng)力與位移綜合角度選取煤柱寬度最優(yōu)化方案，建議區(qū)段煤柱寬度為10～15m，該煤柱取值區(qū)間在一定程度上降低了應(yīng)力核區(qū)的應(yīng)力集中程度，但需采取合理支護(hù)措施以保證巷道圍巖變形在可控范圍內(nèi)。

3 臨空寬煤柱側(cè)向支承應(yīng)力實(shí)測分析

通過側(cè)向支承壓力的監(jiān)測分析，可以得知采空區(qū)側(cè)向懸頂形成的側(cè)向支承壓力對(duì)臨空巷道影響范圍，以確定合理煤柱尺寸，提高采掘安全性。

圖5 不同煤柱寬度下巷道位移曲線(m)

3.1 布置方案

21103輔運(yùn)巷共安裝2組應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備，每組10個(gè)，共計(jì)20個(gè)，組內(nèi)間距2m，應(yīng)力計(jì)安裝深度4～24m。第1組安裝在距離21103主、輔運(yùn)巷11聯(lián)巷以北50m，第2組距離第1組100m。應(yīng)力計(jì)給定初始?jí)毫?MPa。自安裝之日起每3天記錄1次數(shù)據(jù)。第1組應(yīng)力計(jì)測點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 21103采空區(qū)第1組應(yīng)力計(jì)測點(diǎn)布置方案

3.2 采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力實(shí)測分析

根據(jù)2018年5月—2018年12月21103輔運(yùn)巷第1組監(jiān)測測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出煤柱傾向上支承壓力分布曲線，如圖7所示。

圖7 煤柱傾向上支承壓力分布曲線

隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)側(cè)向支承壓力在煤柱內(nèi)不斷積聚，導(dǎo)致煤柱內(nèi)應(yīng)力分布呈現(xiàn)“雙駝峰”形態(tài)，雙峰位置分別在煤柱內(nèi)大約8m與22m處，寬約14m。從圖7可以明顯看出，21103工作面采空后，21103輔運(yùn)巷煤柱內(nèi)應(yīng)力重新分布，從煤柱兩側(cè)向里依次形成“減壓區(qū)—增壓區(qū)—原巖區(qū)”，具體為：在煤柱0～4m、24～30m形成減壓區(qū)，在煤柱4～10m、18～24m形成增壓區(qū)，其中，煤柱10～18m為原巖應(yīng)力區(qū)，為盡可能降低區(qū)段煤柱對(duì)沖擊地壓的影響，應(yīng)合理設(shè)計(jì)煤柱寬度，將煤柱布置減壓區(qū)。根據(jù)上述實(shí)測數(shù)據(jù)得出：葫蘆素煤礦區(qū)段煤柱合理寬度應(yīng)在10～12m。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)煤巖體極限平衡理論推導(dǎo)出煤柱能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)的計(jì)算公式，得出區(qū)段煤柱合理煤柱寬度為9.1～10.7m。

2)對(duì)不同煤柱寬度下煤柱應(yīng)力與圍巖變形進(jìn)行模擬分析，從應(yīng)力與位移綜合角度選取煤柱寬度最優(yōu)化方案，建議區(qū)段煤柱寬度為10～15m，該煤柱取值區(qū)間在一定程度上降低了應(yīng)力核區(qū)的應(yīng)力集中程度，但需采取合理支護(hù)措施以保證巷道圍巖變形在可控范圍內(nèi)。

3)煤柱內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：采空區(qū)側(cè)向支承壓力在煤柱內(nèi)不斷積聚呈現(xiàn)“雙駝峰”形態(tài)，煤柱0～4m、24～30m形成減壓區(qū)，在煤柱4～10m、18～24m形成增壓區(qū)，煤柱10～18m為原巖應(yīng)力區(qū)。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，為確保煤柱處于減壓區(qū)，葫蘆素煤礦區(qū)段煤柱合理寬度應(yīng)在10～12m。

4)根據(jù)理論計(jì)算、煤柱應(yīng)力和圍巖變形數(shù)值模擬對(duì)比及現(xiàn)場煤柱支承壓力實(shí)測數(shù)據(jù)綜合分析得出葫蘆素煤礦區(qū)段煤柱最優(yōu)寬度為10m。