孤島工作面區(qū)段煤柱承載特性演化規(guī)律研究

李天龍

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

隨著煤炭資源的枯竭，如何盡可能多地開采煤炭資源，是當(dāng)前急需解決的問題，對(duì)孤島工作面進(jìn)行開采成為解決這一難題的有效方法之一[1-3]。孤島工作面煤柱應(yīng)力集中水平較大，礦壓規(guī)律顯現(xiàn)較為明顯，巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，易自然發(fā)火[4]。破壞巷道需要多次翻修和加強(qiáng)支護(hù)，不僅增加成本而且威脅安全高效生產(chǎn)[5]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在孤島工作面沿空掘巷煤柱寬度確定和圍巖穩(wěn)定性控制方面開展了大量的研究。針對(duì)沿空掘巷上覆巖層結(jié)構(gòu)特征，提出了綜放沿空掘巷上覆巖層“大小結(jié)構(gòu)”的觀點(diǎn)，在“大結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定的前提下，錨(索)桿與圍巖組成的“小結(jié)構(gòu)”是決定巷道能否穩(wěn)定的關(guān)鍵[6-8]。針對(duì)沿空掘巷煤柱寬度的確定，提出了很多合理的方法，主要包括：①對(duì)工程案例歸納推理，得出不同圍巖條件下合理的煤柱寬度；②采用數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道圍巖變形和應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，確定合理的煤柱寬度。③建立巷道圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，利用極限平衡理論推導(dǎo)出護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的寬度范圍[9-10]。在沿空掘巷穩(wěn)定性控制方面，研發(fā)了高強(qiáng)、高預(yù)緊力、高延伸率錨桿(索)支護(hù)系統(tǒng)和恒阻大變形錨索等支護(hù)技術(shù)來控制圍巖穩(wěn)定[11-13]。

基于此，文章借助UDEC數(shù)值模擬方法，以某礦孤島工作面為工程背景，進(jìn)行區(qū)段煤柱承載特性演化規(guī)律研究，確定合理的沿空掘巷煤柱寬度。

1 工程背景及模型構(gòu)建

某礦3號(hào)煤層為綜合機(jī)械化放頂煤開采，煤層厚度平均為6.5 m，傾角平均3°，其中8105工作面走向長(zhǎng)度2 400 m，工作面寬度230 m；8103工作面走向長(zhǎng)度2 200 m，工作面寬度210 m；8106工作面走向長(zhǎng)度2 600 m，工作面寬度220 m。試驗(yàn)巷道為8105孤島工作面進(jìn)風(fēng)巷，一側(cè)為實(shí)體煤幫，另一側(cè)為采空區(qū)，為了改善沿空巷道的維護(hù)條件，進(jìn)行煤柱承載特性演化規(guī)律研究，8105工作面采掘工程平面圖、綜合鉆孔柱狀圖分別如圖1和圖2所示(圖2根據(jù)鉆孔王-109資料顯示該區(qū)域3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性。鉆孔地面標(biāo)高931.3 m，3號(hào)煤層底板標(biāo)高664.54 m)。

圖1 8105 工作面采掘工程平面

圖2 8105 工作面綜合鉆孔柱狀

根據(jù)以上參數(shù)，結(jié)合8105工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件建立數(shù)值計(jì)算模型，采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，模型尺寸為180 m×70 m，進(jìn)風(fēng)巷斷面為5 m×3.2 m，模型左右邊界及底部固定，如圖3和圖4所示。設(shè)計(jì)Trigon數(shù)值模擬方案，對(duì)比分析不同煤柱寬度(5 m、7 m、10 m)下，巷道全動(dòng)壓過程中煤柱內(nèi)裂隙擴(kuò)展規(guī)律及承載特性演化規(guī)律，來確定合理的煤柱寬度，計(jì)算過程為：建立數(shù)值計(jì)算模型—原巖應(yīng)力平衡計(jì)算—8103、8106工作面回采計(jì)算—計(jì)算結(jié)果輸出與分析—8105巷道掘進(jìn)—計(jì)算結(jié)果輸出與分析。

圖4 UDEC數(shù)值模型示意

2 掘進(jìn)期間不同寬度煤柱承載特性演化規(guī)律

借助數(shù)值模擬方法，對(duì)比分析不同寬度(5 m、7 m、10 m)煤柱時(shí)，巷道掘進(jìn)期間圍巖應(yīng)力演化特征和裂隙擴(kuò)展特征，研究煤柱的承載特性。

2.1 掘進(jìn)期間不同寬度煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律

8105工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間，不同寬度煤柱對(duì)應(yīng)的巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖和曲線圖分別如圖5和圖6所示，可以看出：

圖5 掘進(jìn)期間不同寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力云圖

圖6 掘進(jìn)期間不同寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力曲線

1) 8105工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)后，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，預(yù)留不同寬度區(qū)段煤柱時(shí)，巷道圍巖垂直應(yīng)力存在一定差異，煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力云圖對(duì)稱分布，隨著區(qū)段煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值也逐漸增大。

2) 隨著區(qū)段煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值增大，煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值為6 MPa低于原巖應(yīng)力；當(dāng)煤柱寬度為7 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值8 MPa，煤柱內(nèi)應(yīng)力略小于原巖應(yīng)力；當(dāng)煤柱寬度為10 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值為11 MPa左右，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值接近原巖應(yīng)力。

2.2 掘進(jìn)期間不同寬度煤柱內(nèi)裂隙分布規(guī)律

不同區(qū)段煤柱寬度下，8105工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間巷道幫部裂隙擴(kuò)展規(guī)律如圖7所示。

圖7 掘進(jìn)期間不同寬度煤柱內(nèi)裂隙分布

由圖7可以得出以下結(jié)論：

1) 當(dāng)采用不同寬度煤柱時(shí)，煤柱內(nèi)裂隙擴(kuò)展范圍不同，煤柱內(nèi)的裂隙區(qū)分布呈現(xiàn)明顯的對(duì)稱性；隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)的裂隙擴(kuò)展深度逐漸減小，其中張拉裂隙主要分布在煤柱兩側(cè)的表面，剪切裂隙主要分布在煤柱深部。

2) 當(dāng)煤柱寬度為5 m時(shí)，張拉裂隙主要分布在巷道的表面，煤柱中心出現(xiàn)大量剪切裂隙，裂隙幾近貫通，煤體基本失去承載能力；當(dāng)煤柱寬度為7 m時(shí)，存在完整的承載煤體區(qū)域，此時(shí)煤體處于塑性承載狀態(tài)；當(dāng)煤柱寬度為10 m時(shí)，巷道兩幫的張拉裂隙與剪切裂隙不再擴(kuò)展，煤柱中部存在一定的彈性承載核。

3 回采期間不同寬度煤柱承載特性演化規(guī)律

借助數(shù)值模擬方法，對(duì)比分析不同寬度(5 m、7 m、10 m)煤柱時(shí)，巷道回采期間圍巖應(yīng)力演化特征和裂隙擴(kuò)展特征，確定合理的煤柱寬度。

3.1 回采期間不同寬度煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律

不同區(qū)段煤柱寬度下，8105工作面回采期間煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力云圖如圖8所示，可以看出：煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱中部垂直應(yīng)力峰值大小為8 MPa，低于原巖應(yīng)力；當(dāng)煤柱寬度為7 m時(shí)，煤柱中部垂直應(yīng)力峰值接近原巖應(yīng)力，具備一定的承載能力；當(dāng)煤柱寬度為10 m時(shí)，煤柱中部垂直應(yīng)力峰值為26 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.3，煤柱處于應(yīng)力增高區(qū)。

圖8 回采期間不同寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力云圖

3.2 回采期間不同寬度煤柱內(nèi)裂隙分布規(guī)律

不同區(qū)段煤柱寬度下，8105工作面回采期間煤柱裂隙擴(kuò)展規(guī)律如圖9所示。破壞程度隨煤柱寬度的增大而減弱。當(dāng)煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱內(nèi)的剪切破壞嚴(yán)重，剪切和張拉裂隙相互貫通，基本失去承載能力；當(dāng)煤柱寬度為7 m時(shí)，煤柱內(nèi)存在裂隙閉合區(qū)，煤體處于塑性承載狀態(tài)；當(dāng)煤柱寬度為10 m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力較大，并且存在裂隙閉合區(qū)，煤柱中部存在一定的彈性承載核。

圖9 回采期間不同寬度煤柱內(nèi)裂隙分布

4 煤柱寬度確定及工業(yè)性實(shí)驗(yàn)

綜上所述，當(dāng)煤柱寬度取7 m時(shí)，煤柱位于側(cè)向支承壓力與原巖應(yīng)力疊加的應(yīng)力降低區(qū)，處于塑性承載狀態(tài)，具備一定的承載能力，有利于巷道長(zhǎng)期穩(wěn)定，同時(shí)考慮現(xiàn)場(chǎng)施工情況，最終確定了8105工作面進(jìn)風(fēng)巷的護(hù)巷煤柱寬度為7.0 m。

為了驗(yàn)證7 m煤柱的合理性，在進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置測(cè)站，對(duì)圍巖表面位移、錨桿(索)受力情況進(jìn)行觀測(cè)并對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行分析，礦壓觀測(cè)結(jié)果以及圍巖控制效果分別如圖10、圖11和圖12所示。

圖10 掘進(jìn)期間巷道表面變形情況

圖11 掘進(jìn)期間錨桿錨索受力情況

圖12 巷道圍巖控制效果

從圖10可以看出：8105工作面進(jìn)風(fēng)巷在掘進(jìn)期間，隨著距掘進(jìn)迎頭距離的增加，巷道頂板移近量最大值為150 mm，底鼓量為145 mm左右，兩幫移近量為 325 mm 左右，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

從圖11可以看出：隨著掘進(jìn)迎頭的推進(jìn)，試驗(yàn)巷道內(nèi)錨桿(索)受力逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定。

從圖12的8105工作面進(jìn)風(fēng)巷的現(xiàn)場(chǎng)照片，可以看出巷道圍巖變形較小，整體控制效果較好。

5 結(jié) 語(yǔ)

文章采用數(shù)值模擬方法，分析了掘進(jìn)和回采期間不同寬度煤柱內(nèi)應(yīng)力和裂隙分布規(guī)律，得到了孤島工作面區(qū)段煤柱承載特性演化規(guī)律，主要結(jié)論為:

1) 借助離散元數(shù)值軟件UDEC 6.0對(duì)煤柱內(nèi)裂隙擴(kuò)展規(guī)律和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，得出：煤柱為5 m時(shí)，裂隙擴(kuò)展貫通，煤柱失去承載能力；煤柱為7 m時(shí)，處于側(cè)向采動(dòng)壓力的壓力減低區(qū)，存在裂隙閉合區(qū)，為塑性承載狀態(tài)；煤柱為10 m時(shí)，煤柱處于彈性承載狀態(tài)。綜合考慮施工安全與資源回收，最終確定煤柱寬度為7 m。

2) 借助工業(yè)性實(shí)驗(yàn)觀測(cè)試驗(yàn)巷道在掘巷和回采期間的圍巖活動(dòng)規(guī)律，得出：8105工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間，巷道整體變形量在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)，錨桿(索)受力逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定，整體控制效果較好。