深井超高水充填工作面小煤柱穩(wěn)定性規(guī)律及控制技術

任 帥，王方田，李少濤，屠洪盛，李乃梁

（1.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州221116；2.山東義能煤礦有限公司，山東 濟寧272500）

我國中東部礦井煤炭開發(fā)時間長，主力礦區(qū)已進入深部開采，“三高一擾動”等問題日益突出[1－3]。由于超高水充填開采對提高煤炭采出率，預防深井動力災害具有顯著效果[4－7]，在礦井中不斷推廣應用。目前超高水充填開采通常采用留設區(qū)段煤柱與充填體形成聯(lián)合支承體來控制覆巖運移，在未掌握煤柱穩(wěn)定性規(guī)律的情況下一般靠經(jīng)驗留設煤柱，出于安全性與保護地表生態(tài)環(huán)境的考慮，煤礦區(qū)段煤柱的留設寬度范圍普遍在20～40 m[8]，實踐表明該尺寸煤柱資源損失大，且隨埋深加大會導致煤柱靜載過高，存在誘導煤柱沖擊動力災害隱患。因此，研究超高水充填工作面煤柱合理尺寸對實現(xiàn)煤礦安全高效開采具有重要意義。James等[9]分析了充填薄煤層時小煤柱尺寸對煤炭采出率的影響規(guī)律，提出了煤柱尺寸優(yōu)化方案。鄧雪杰[10]等采用理論分析與數(shù)值模擬的方法研究不同埋深、工作面充實率、巷旁充填體寬度和強度條件下沿空留巷煤柱應力演化與移動破壞特征。劉訊[11]等以新巨龍礦充填工作面為工程背景，通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測對沿空巷道護巷煤體受力特征和圍巖變形進行分析和研究，確定沿空掘巷煤柱留設尺寸為5 m。郭廣禮[12]等基于平頂山十二礦地質條件，采用數(shù)值模擬探究充填開采協(xié)同承載體的應力承載和破壞特征，建立了協(xié)同承載體中煤柱破壞的力學模型，得到了煤柱破壞與充填體承壓均值、煤柱承壓極值相對覆巖自重應力的系數(shù)關系。以上研究多針對淺部煤層矸石充填、膏體充填開采煤柱的尺寸留設及充填參數(shù)對煤柱承載性能影響，而對深部煤層超高水充填開采工作面小煤柱留設及控制技術研究較少[13－15]。為此，通過構建力學結構模型、數(shù)值模擬等方法探究深部煤層超高水充填工作面煤柱合理留設尺寸，針對煤柱損傷破壞特征提出針對性防控技術，為深部煤層安全高采出率充填開采提供科學依據(jù)。

1 超高水充填工作面煤柱力學結構分析

超高水充填開采條件下“充填體－煤柱－充填體”力學結構模型如圖1。傳統(tǒng)的頂板垮落法處理采空區(qū)時，由于頂板懸空，煤柱上方頂板應力σ1明顯增大，應力集中程度高，煤柱易產(chǎn)生塑性變形、坍塌甚至沖擊災害；超高水充填開采條件下煤柱與充填體形成聯(lián)合承載結構共同支撐頂板，頂板對煤柱載荷明顯減小，在一次采動或二次采動情況下充填體對煤柱兩側分別提供側向應力σ2、σ3，使煤柱強度增加，穩(wěn)定性得到進一步提高。

圖1 “充填體-煤柱-充填體”力學結構模型Fig.1 “Backfilling body-coal pillar-back filling body”mechanical structuremodel

根據(jù)英國學者A H Wilson，Matsuoka H等提出的約束理論[16－17]及極限平衡理論[18]，則充填區(qū)煤柱的極限寬度a如式（1）。則煤柱極限寬度3.15 m。

式中：a為煤柱寬度；H為開采深度，取821 m；K為回采引起的應力集中系數(shù)，取1.75；m為煤層采厚，取3 m；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取30°；C為黏聚力，取1.7 MPa；ξ為三軸應力系數(shù)，取2；ρ為覆巖的密度，取2.5 t/m3；g重力加速度，取10 m/s2。

超高水充填工作面“充填體－煤柱－充填體”應力分布如圖2，根據(jù)煤柱承載與變形破壞的不同時空歷程，對煤柱進行分尺寸分區(qū)分級特征劃分，不同煤柱尺寸受力產(chǎn)生不同的破壞區(qū)域以及不同的損傷等級，依據(jù)煤體破壞特征將煤柱分為破碎區(qū)A、裂隙區(qū)B、塑性區(qū)C及彈性區(qū)D。

1）煤柱寬度較大時，如圖2（a），破裂區(qū)內(nèi)部煤體完全破壞，已失去承載能力，裂隙區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大小不一的裂隙，塑性區(qū)內(nèi)煤體屈服，彈性區(qū)煤體完整性好，有較強的支撐能力，該寬度煤柱整體輕微損傷，應力呈雙峰型分布，應力集中主要發(fā)生在煤柱兩側，中部彈性區(qū)范圍過大，易造成煤炭資源浪費。

2）當煤柱處在臨界尺寸時，如圖2（b），煤柱損傷較為嚴重，應力呈單峰型分布，彈性區(qū)范圍減小，該寬度易誘發(fā)煤柱動力沖擊災害。

3）當采用小煤柱時，如圖2（c），彈性核區(qū)消失，煤柱嚴重損傷破壞，裂隙貫通易造成漏風；應力呈單峰拱形分布，煤柱承載能力與沖擊危險較小，主要起隔離作用。

圖2 “充填體-煤柱-充填體”應力分布圖Fig.2 “Backfilling body-coal pillar-backfilling body”stress distribution diagram

綜上，為避免埋深增大時充填工作面發(fā)生煤柱動力沖擊災害，同時提高煤炭采出率和礦井經(jīng)濟效益，超高水充填工作面小煤柱合理尺寸設計及穩(wěn)定性控制將是解決以上問題的有效途徑。

2 超高水充填工作面小煤柱合理寬度確定

2.1 工程背景

以山東義能煤礦充填工作面地質條件為工程背景，工作面寬度100 m，推進長度1 030 m。應用超高水充填技術開采3#煤層，超高水材料水灰比為95%，平均厚3.0 m，構造簡單，傾角2°～10°，平均埋深為821 m。直接頂為細砂巖，局部為泥巖，基本頂為細砂巖，底板為泥巖、細砂巖。

采用UDEC軟件建模，本構模型為摩爾—庫倫模型，模型長×寬=240 m×96 m，模型四周及底邊固定位移約束，上邊界施加20.5 MPa豎向應力模擬上覆巖重，側壓系數(shù)取1.2。模型各層的巖石物理力學參數(shù)見表1。綜合柱狀及模型如圖3，

表1 模型各層的巖石物理力學參數(shù)Table 1 Each layer of rock physical and mechanical parameters in model

圖3 UDEC數(shù)值模擬模型Fig.3 UDEC numerical simulation model

2.2 模擬結果分析

設計兩充填工作面間的煤柱留設寬度分別為10、6、3、1 m時，分析煤柱應力分布、塑性區(qū)發(fā)育及變形特征，揭示充填工作面煤柱穩(wěn)定性規(guī)律。

2.2.1 煤柱豎向應力分布特征

不同寬度煤柱豎向應力分布如圖4。

圖4 不同煤柱寬度豎向應力圖Fig.4 Vertical stress diagram of different coal pillar w idths

1）當寬度為10 m時，煤柱兩側2.0 m范圍內(nèi)應力顯著降低，低于原巖應力，煤柱內(nèi)部應力呈現(xiàn)單峰形分布，中心為原巖應力區(qū)，最大應力為37.1 MPa，應力集中系數(shù)為1.80；當寬度為6 m時，煤柱內(nèi)部應力呈單峰形分布，中心應力集中程度最大，最大應力為33.1 MPa，應力集中系數(shù)1.61，彈性區(qū)消失；當寬度為3 m時，應力分布規(guī)律與6 m基本一致，最大應力為26.2 MPa，應力集中系數(shù)1.27；當寬度為1 m時，煤柱內(nèi)部豎向應力普遍低于原巖應力，最大為16.5 MPa，應力集中系數(shù)0.80，此時煤柱已失去主要承載能力。綜上，煤柱豎向應力分布隨寬度減小呈遞減趨勢。

2.2.2 煤柱塑性區(qū)發(fā)育特征

不同寬度煤柱塑性區(qū)發(fā)育如圖5。

圖5 不同煤柱寬度塑性區(qū)發(fā)育圖Fig.5 Plastic zone of different coal pillar w idths

當寬度為10 m時，煤柱同時存在破碎區(qū)、裂隙區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū)，彈性區(qū)范圍較小，此時煤柱尚有較強的承載能力；當寬度為6 m時，煤柱彈性區(qū)消失，中部有部分塑性區(qū)發(fā)揮承載能力，煤柱嚴重損傷；當寬度為3 m時，煤柱塑性區(qū)消失，主要為裂隙區(qū)和破碎區(qū)，煤柱嚴重損傷；當寬度為1 m時，煤柱完全處于破碎區(qū)，裂隙貫通容易漏風，主要由兩側充填體承載覆巖壓力。

2.2.3 煤柱變形規(guī)律

不同寬度煤柱變形如圖6。

圖6 不同寬度煤柱變形圖Fig.6 Deformation of different coal pillar w idths

從寬度1～10 m煤柱頂部變形呈遞減趨勢，最小值為148 mm，與煤柱內(nèi)部應力不斷遞增呈現(xiàn)出負相關性；煤柱兩側變形特征基本一致，寬度1～10 m時，變形量不斷減小，最小值為108 mm。寬度為1～3 m時，煤柱內(nèi)部已完全破壞，變形量相對較大，但由于充填體側向限制，與非充填開采相比煤柱變形有限，能起到有效隔離作用。

2.2.4 充填工作面煤柱合理寬度確定

綜上，煤柱豎向應力分布隨寬度減小呈遞減趨勢。塑性區(qū)范圍、損傷程度破壞隨寬度減小遞增，承載能力隨之遞減。根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結果，可將充填工作面小煤柱留設寬度按照“象限法”[19]進行劃分，“象限法”示意圖如圖7。

圖7 “象限法”示意圖Fig.7 Diagram of“quadrantmethod”

當寬度為10 m（Ⅰ區(qū)）時，煤柱應力集中，變形量較小，但中心有一定寬度的彈性核區(qū)，易引發(fā)動力沖擊災害；當寬度為1 m時（Ⅱ區(qū)），煤柱損傷程度最大，完全失去承載能力，圍巖變形較大，難保持自身穩(wěn)定，隔離作用弱；當寬度為3 m（Ⅲ區(qū)）時，豎向應力相對較小，基本無承載能力，變形量相對較小，主要起隔離作用；當寬度為6 m（Ⅳ區(qū)）時，煤柱應力較集中，變形量較小，煤柱損傷嚴重，存在一定動力沖擊風險。綜上，從礦井安全、采出率及經(jīng)濟效益多方面考慮，確定合理煤柱寬度為3 m。

3 充填工作面小煤柱穩(wěn)定性控制技術

超高水充填工作面間留設小煤柱后，通常會因為頂板應力高、塑性區(qū)發(fā)育范圍廣、自身支承能力降低等原因，產(chǎn)生貫通裂隙導致漏風事故。因此，提出巷道錨桿錨網(wǎng)聯(lián)合支護設計及注漿封堵等技術。

3.1 錨桿網(wǎng)聯(lián)合支護技術

由于煤柱寬度過小，一般錨網(wǎng)網(wǎng)格較大，破碎區(qū)碎煤易從錨網(wǎng)空隙間脫落，進一步造成煤柱從表層向內(nèi)部破裂發(fā)展，導致煤柱幫頂板漏冒，造成惡性循環(huán)。小煤柱承載能力下降，內(nèi)部通過加長錨桿提高煤柱穩(wěn)定性。因此，針對充填工作面小煤柱，采用加長煤柱幫錨桿長度（由2.0 m加長至2.5 m）、減小間排距（由1 000 mm×1 000 mm加密至700 mm×700 mm）、提高網(wǎng)強度（由礦用塑料雙抗網(wǎng)改為12#鍍鋅鐵絲經(jīng)緯金屬網(wǎng)）加密網(wǎng)格（由50 mm×50 mm加密至25 mm×25 mm）等方法來提高煤柱強度，錨桿錨網(wǎng)聯(lián)合支護設計如圖8。

圖8 錨桿網(wǎng)支護設計圖Fig.8 Design draw ing of anchor bolt and mesh

3.2 注漿封堵防漏

3.2.1 注漿材料

井下煤柱注漿封堵加固材料采用原材料易獲取、成本低、強度較高、可注性好等優(yōu)點的粉煤灰與超高水材料，該原料可制備具有良好微觀結構和力學性能的新型復合材料制品，有利于實現(xiàn)固體廢料的再次利用。該注漿材料結合了高水材料具有凝結速度快、早期凝結強度高的特點，同時漿液流動性好，便于輸送，進入煤體后黏結性能很好，較普通硅酸鹽注漿材料其性能有很大程度的提升，尤其適宜于淺部注漿加固[20]。

3.2.2 注漿系統(tǒng)

煤柱注漿系統(tǒng)如圖9。

圖9 煤柱注漿系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic diagram of coal pillar grouting system

注漿封堵系統(tǒng)由2個氣動攪拌桶、2個盛漿桶、2臺液壓注漿泵、注漿管路、三通混合器組組成。將注漿材料分別與水按照一定的比例混合進行攪拌形成單漿液，然后注入成漿由液壓注漿泵通過管道運輸?shù)骄拢?種單漿液經(jīng)三通混合器混合經(jīng)由注漿泵注入小煤柱煤體中。

煤柱鉆孔注漿參數(shù)如圖10。

圖10 煤柱鉆孔注漿參數(shù)Fig.10 Parameters of coal pillar grouting

煤柱中布置2排鉆孔，下排鉆孔距離煤層底板1 m，上排鉆孔距離地板2 m，上下排鉆孔呈“三花眼”狀布置。

3.2.3 注漿時機

根據(jù)充填工作面推進速度及煤柱裂隙發(fā)育特征，由于工作面前方0～30 m的小煤柱裂隙較為發(fā)育程度，可注漿容量大，注漿壓力小，適宜進行注漿，但距離工作面過近，易發(fā)生煤柱幫部漏漿現(xiàn)象；工作面前方60 m以外為原巖應力區(qū)，裂隙不發(fā)育，注漿壓力大、注漿量小，回采時易再次產(chǎn)生大量新裂隙，注漿效果差；工作面前方30～60 m，在超前支承壓力作用下，裂隙有一定程度的張開、貫通，此時進行注漿，注漿壓力適中，適當提高注漿量，工作面約5～7 d回采至注漿區(qū)域，注漿材料強度充分提高。根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，工作面前方30～60 m的小煤柱注漿為合理注漿時機，注漿跟隨工作面回采同步進行。

3.2.4 注漿壓力

根據(jù)既能使?jié){液滲入圍巖裂隙，又不因壓力過大而導致煤體被漿液劈裂的原則，最大注漿壓力以能劈裂微小裂隙為宜，結合小煤柱強度、應力分布及裂隙發(fā)育特征，綜合確定注漿壓力6～8 MPa。

4 結 語

1）構建了超高水充填開采條件下“充填體－煤柱－充填體”力學結構模型，通過研究不同寬度煤柱內(nèi)部破壞特征確定損傷等級，提出了煤柱承載分尺寸分區(qū)分級特征。

2）利用UDEC軟件模擬分析了10、6、3、1 m不同寬度煤柱豎向應力、塑性區(qū)發(fā)育及變形特征，表明隨寬度減小，豎向應力遞減，塑性區(qū)范圍不斷增大、煤柱變形不斷增大。

3）結合煤柱應力、損傷破壞與變形特征，根據(jù)“象限法”分析不同寬度煤柱穩(wěn)定性，綜合確定超高水充填工作面合理煤柱寬度為3 m。

4）為防止小煤柱裂隙貫通漏風，提出錨桿網(wǎng)聯(lián)合支護、注漿封堵技術，優(yōu)化設計了支護參數(shù)，確定了合理注漿系統(tǒng)、材料、時機、壓力，為深井充填工作面安全高效高采出率開采提供了有效保障。