工作面上覆煤柱載荷及煤柱爆破效果分析

毛金峰

(新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023)

0 引 言

神府礦區(qū)煤層群埋藏較淺，由于技術(shù)條件和環(huán)境保護(hù)的限制在開采過程中遺留了較多煤柱，隨著該礦區(qū)部分煤礦淺部煤炭資源的枯竭，煤礦開采逐漸向煤層群的下部轉(zhuǎn)移[1]，受煤層群內(nèi)上下煤層間距離較小等因素影響，下部煤層在煤柱下開采過程中極易產(chǎn)生冒頂、壓架等煤巖動(dòng)力災(zāi)害，給礦井安全生產(chǎn)帶來安全隱患[2-4]。國(guó)外眾多學(xué)者對(duì)殘留煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了較為廣泛的研究，SALAMON等[5]關(guān)于殘留煤柱強(qiáng)度的研究成果對(duì)南非煤礦的安全生產(chǎn)起到了重要作用；兩切寬剁法(two-split wide-stall method)在淺埋煤層開采過程中提高了煤柱的穩(wěn)定性和煤炭資源的回采率[6-7]；WILSON[8]提出的兩區(qū)約束理論(或漸進(jìn)破壞理論)綜合考慮了煤柱兩側(cè)采空區(qū)的寬度、煤柱寬度、開采深度等因素，提出了不同條件下的煤柱載荷計(jì)算公式，該方法得到了廣泛應(yīng)用；國(guó)內(nèi)對(duì)于條帶開采的研究中，煤柱載荷計(jì)算多采用僅考慮覆巖自重應(yīng)力場(chǎng)的有效面積法[9]，該方法認(rèn)為各煤柱強(qiáng)度相等，承擔(dān)相同的載荷，煤柱載荷是在煤柱影響區(qū)域內(nèi)的固定載荷[10]，提出了采空區(qū)矸石不承載條件下的煤柱載荷計(jì)算公式；當(dāng)采空區(qū)冒落的矸石具有一定的承載能力時(shí)，則有計(jì)算采空區(qū)矸石承載能力的方法[9-10]。近年來，基于非線性理論的尖點(diǎn)突變模型提出了條帶煤柱破壞失穩(wěn)的必要條件以及影響因素[11]。當(dāng)前，針對(duì)上覆殘留煤柱的集中應(yīng)力對(duì)下部煤層工作面回采的影響已經(jīng)開展了較為深入的研究，并針對(duì)工作面過上覆煤柱時(shí)可能發(fā)生的圍巖動(dòng)力災(zāi)害提出了如煤柱爆破[12]、注漿注砂充填采空區(qū)[13]等防治措施。

本文對(duì)煤柱載荷進(jìn)行了計(jì)算，應(yīng)用彈性力學(xué)理論計(jì)算了煤柱載荷在下覆煤層中對(duì)應(yīng)煤柱位置的應(yīng)力大小，采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)和工作面支架阻力監(jiān)測(cè)值對(duì)上覆煤柱爆破效果進(jìn)行分析。

1 工作面概況

韓家灣煤礦屬于淺埋近距離煤層群生產(chǎn)礦井，主采2號(hào)煤層和3號(hào)煤層，兩煤層間距約30 m，工作面平面布置如圖1所示。2號(hào)煤層以長(zhǎng)壁工作面回采為主，布置旺采工作面回收邊角煤及薄煤區(qū)的煤炭資源，當(dāng)前2號(hào)煤層已回采完畢。3號(hào)煤層為近水平煤層，可將3302工作面上覆的2號(hào)煤層采空區(qū)簡(jiǎn)化為圖2所示。3302工作面受2號(hào)煤層內(nèi)兩條橫跨工作面傾斜方向的煤柱(煤柱一和煤柱二)影響較大，回采過程中易造成大面積壓架、冒頂和覆巖大面積沖擊式來壓等災(zāi)難性事故。

圖1 2號(hào)煤層和3號(hào)煤層平面布置圖

圖2 3302工作面上覆采空區(qū)示意圖

2 理論計(jì)算

2.1 煤柱載荷的計(jì)算

煤柱一左側(cè)為長(zhǎng)壁工作面，右側(cè)為旺采面；長(zhǎng)壁工作面采用全部垮落法管理頂板，采空區(qū)冒落矸石直接頂；旺采面內(nèi)巷硐之間均留設(shè)煤柱，采空區(qū)內(nèi)冒落的矸石較少，一般不接頂?？蓪⒚褐缓?jiǎn)化為右側(cè)未開采，左側(cè)無限開采的模型進(jìn)行載荷計(jì)算；鄒友峰等[14]認(rèn)為當(dāng)煤體一側(cè)未開采，另一側(cè)無限開采時(shí)，采空區(qū)內(nèi)距煤壁0.3 H處矸石承載的載荷為γH，且該處與煤壁間的應(yīng)力按線性分布。據(jù)此假設(shè)，對(duì)有限采動(dòng)情況進(jìn)行疊加，可以得到采空區(qū)內(nèi)矸石承載情況下條帶煤柱載荷P的計(jì)算公式見式(1)。

P=(a+b)γH/a-γb2/1.2a

(1)

式中：P為煤柱平均載荷，MPa；a、b分別為留設(shè)煤柱寬度和采出寬度，m；γ為覆巖平均密度，kg/m3；H為平均開采深度，m。

煤柱二兩側(cè)均為旺采工作面，巷硐間留設(shè)了大量煤柱，采空區(qū)內(nèi)冒落的矸石一般不接頂，所以采空區(qū)內(nèi)矸石不承受載荷。此時(shí)可認(rèn)為采出寬度內(nèi)上覆巖柱的重量全部轉(zhuǎn)移到殘留煤柱上，可以采用有效區(qū)域理論計(jì)算煤柱載荷[14]，煤柱載荷P的計(jì)算公式見式(2)。

P=(a+b)γH/a

(2)

2號(hào)煤層開采深度約90 m，覆巖平均密度為24 kg/m3，煤柱一和煤柱二的寬度分別為14 m和7 m，由式(1)計(jì)算出煤柱一的載荷為5.5 MPa，由式(2)計(jì)算出煤柱二的載荷為5.3 MPa。

2.2 均布條形載荷下底板巖層的應(yīng)力分布

煤層開采后，殘留煤柱在采動(dòng)應(yīng)力和原巖應(yīng)力的影響下向底板巖層傳遞載荷，底板巖層應(yīng)力發(fā)生集中、傳遞。因此，殘留煤柱造成的集中載荷將對(duì)下層煤的回采產(chǎn)生重要影響。應(yīng)用彈性力學(xué)理論，利用三維坐標(biāo)系下的集中載荷布辛奈斯克解分析二維坐標(biāo)問題[13,15]，將煤巖體視為均質(zhì)彈性體，煤柱以集中載荷P在半無限平面體內(nèi)任意點(diǎn)的應(yīng)力模型如圖3所示。

圖3 煤柱集中載荷

在土力學(xué)中，當(dāng)?shù)鼗拈L(zhǎng)寬比大于或者等于10的時(shí)候可視為平面問題進(jìn)行分析，此時(shí)按平面問題進(jìn)行計(jì)算也能保證足夠的精度[16]。煤礦開采過程中，煤柱軸向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度，因此，可以把集中載荷表示煤柱載荷在底板中傳遞的模型轉(zhuǎn)化為均布條形載荷下的應(yīng)力分布模型，模型如圖4所示。

圖4 煤柱分布載荷

假設(shè)在煤柱寬度x方向作用一豎向載荷q，沿x方向取一微元dx，此時(shí)可求得M點(diǎn)的微元應(yīng)力dσx、dσy和dτxy，將其在煤柱寬度a上積分，即可求得在均布條形載荷下底板中任意點(diǎn)M的應(yīng)力計(jì)算，具體見式(3)。

(3)

式中：σx、σy和τxy分別為煤柱底板巖層中水平附加應(yīng)力、垂直附加應(yīng)力和剪切附加應(yīng)力，MPa；q為作用于煤柱上的豎向均布載荷，MPa；x和y為M點(diǎn)在X-Y坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；a為煤柱的寬度，m。

將煤柱一和煤柱二的載荷帶入式(3)，可分別求得煤柱載荷底板應(yīng)力在3號(hào)煤層中對(duì)應(yīng)煤柱位置處的最大垂直附加應(yīng)力為0.56 MPa和0.34 MPa。由計(jì)算結(jié)果可知，殘留煤柱在其底板巖層中形成的應(yīng)力增高區(qū)已傳遞至3號(hào)煤層內(nèi)相應(yīng)區(qū)域。因此，當(dāng)工作面回采至上覆煤柱附近時(shí)，易引發(fā)頂板動(dòng)力災(zāi)害。

3 煤柱預(yù)裂松動(dòng)爆破施工

采用預(yù)裂松動(dòng)爆破技術(shù)對(duì)可能引發(fā)工作面動(dòng)壓災(zāi)害的上覆煤柱進(jìn)行預(yù)處理，破壞煤柱的整體性，釋放煤柱內(nèi)部的彈性能，降低煤柱的支撐能力。松動(dòng)爆破后，煤柱在上覆載荷作用下被進(jìn)一步壓垮破壞，上覆巖體發(fā)生一定量的下沉，能夠減小下方工作面回采至煤柱附近時(shí)的頂板下沉量，并且破碎的煤柱能夠?qū)缏涞纳细矌r層起到墊層緩沖作用。

由于煤柱所在采區(qū)已完成回采，難以在采空區(qū)內(nèi)對(duì)殘留煤柱進(jìn)行鉆孔作業(yè)。因此在3301工作面設(shè)置鉆場(chǎng)，根據(jù)預(yù)先松動(dòng)爆破的施工要求，精確計(jì)算鉆孔的孔深、仰角和方位角等參數(shù)，成孔后將爆破煤柱所需的炸藥送入指定位置。煤柱一和煤柱二所在范圍內(nèi)共施工松動(dòng)爆破鉆孔80個(gè)，煤柱內(nèi)鉆孔平面布置示意圖和鉆孔布置剖面示意圖如圖5和圖6所示。

圖5 鉆孔平面布置示意圖

圖6 鉆孔剖面示意圖

4 爆破卸壓效果分析

4.1 數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)分析應(yīng)力變化情況，分別選取煤柱爆破前3號(hào)煤層垂直應(yīng)力分布和煤柱爆破后3號(hào)煤層垂直應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)分析3號(hào)煤層內(nèi)對(duì)應(yīng)上覆煤柱位置附近的應(yīng)力變化情況。

圖7為煤柱爆破前和爆破后3號(hào)煤層內(nèi)垂直應(yīng)力分布圖。圖中方框位置分別為上覆煤柱一和煤柱二在3號(hào)煤層內(nèi)對(duì)應(yīng)的位置。對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可知，上覆煤柱爆破前和爆破后3號(hào)煤層內(nèi)應(yīng)力發(fā)生明顯變化，3號(hào)煤層內(nèi)對(duì)應(yīng)煤柱一位置處的應(yīng)力變化較為明顯，上覆煤柱爆破后煤層內(nèi)垂直應(yīng)力顯著降低；煤柱二位置處應(yīng)力變化幅度較小，但部分區(qū)域內(nèi)也有所降低；兩煤柱中間部分的垂直應(yīng)力也有較為明顯的降低。由此可知，上覆煤柱爆破后，3號(hào)煤層內(nèi)對(duì)應(yīng)煤柱位置處的垂直應(yīng)力得到了有效釋放，能夠顯著降低3號(hào)煤層內(nèi)的應(yīng)力集中。

圖7 3號(hào)煤層爆破前后垂直應(yīng)力分布圖

4.2 礦壓實(shí)測(cè)分析

通過礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)液壓支架工作阻力跟蹤監(jiān)測(cè)，進(jìn)而分析3302工作面在不同頂板覆巖結(jié)構(gòu)下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。由于相鄰支架間數(shù)據(jù)的變化幅度較小，僅在工作面中上、中、下三個(gè)部位選取了如圖8所示的9臺(tái)液壓支架數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖8 支架位置示意圖

3號(hào)煤層3302工作面回采之前，已對(duì)上覆煤柱一和煤柱二進(jìn)行了爆破。圖9(a)和圖9(b)分別為液壓支架在不同上覆巖層結(jié)構(gòu)下周期來壓期間和非周期來壓期間支架阻力的平均值。由圖9(a)可知，在周期來壓期間，支架阻力的平均值在不同的上覆巖層結(jié)構(gòu)下差別較小，即工作面在不同上覆巖層結(jié)構(gòu)下的過渡較為平穩(wěn)；中間支架的阻力值略大于兩端支架，周期來壓期間均未發(fā)生大面積壓架、冒頂?shù)软敯鍎?dòng)力災(zāi)害。由圖9(b)可知，非周期來壓期間支架阻力的平均值均較小，支架的承載能力有較大的剩余空間，回采過程中無明顯異?，F(xiàn)象發(fā)生。綜上所述，上覆煤柱爆破起到了良好的卸壓作用，煤柱爆破卸壓后可以保證工作面的安全生產(chǎn)。

圖9 支架工作阻力平均值

5 結(jié) 論

1) 理論計(jì)算了殘留煤柱在3302工作面對(duì)應(yīng)煤柱位置的最大垂直附加應(yīng)力，確定了殘留煤柱在底板巖層中形成的應(yīng)力集中已經(jīng)傳遞至下覆3302工作面對(duì)應(yīng)位置。

2) 由FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果和液壓支架在周期來壓期間和非周期來壓期間支架阻力的平均值可知，煤柱爆破后3302工作面對(duì)應(yīng)煤柱位置的垂直應(yīng)力有明顯的降低。

3) 煤柱預(yù)裂松動(dòng)爆破技術(shù)可以有效治理由于上覆煤柱而引起的工作面煤巖動(dòng)力災(zāi)害，能夠保證工作面的安全回采。