上保護層開采遺留區(qū)段煤柱現(xiàn)存狀態(tài)研究

肖 健，陳學習，單文選，畢瑞卿

(1.華北科技學院，北京 065201；2.晉能控股集團挖金灣煤業(yè)公司；山西 大同 037003；3.華北科技學院，北京 065201)

礦井開采規(guī)模增大、時間延長，導致采掘工作持續(xù)向深部延伸，深井采煤即將成為常態(tài)[1，2]。采深不斷增加，部分非突煤層逐漸轉(zhuǎn)為突出[3]。保護層開采不僅能夠最大效率消除突出危險性[4]，而且是現(xiàn)行標準—《防治煤與瓦斯突出細則》中要求的首選措施[5]。無煤柱開采能夠為被保護層提供有效且連續(xù)的保護[6]。但在實際開采活動中，由于隔離采空區(qū)、防水及保護巷道掘進等原因不可避免的需要留設區(qū)段煤柱[7]。

徐青云等[8]、何連福等[9]、張源等[10，11]、郭帥等[12]研究了區(qū)段煤柱破壞原因，認為高支撐壓力、頂板破斷過程動壓影響及支護失效區(qū)段煤柱破壞的主要原因，同時也提出了針對不同破壞原因的區(qū)段煤柱加固穩(wěn)定技術措施?？到|[13]通過數(shù)值模擬研究得到在煤柱下方存在一定范圍的未卸壓區(qū)，未卸壓區(qū)因煤柱尺寸增大而擴大，導致被保護層保護效果在傾向上沒有連續(xù)性，影響安全高效生產(chǎn)。文虎等[14，15]研究了有效保護邊界的劃定，但對保護范圍劃定均未考慮遺留煤柱的狀態(tài)。遺留區(qū)段煤柱破壞與否對上覆巖層重力傳遞有著決定性作用，研究區(qū)段煤柱現(xiàn)存狀態(tài)對進一步研究被保護層范圍和指導被保護層開采工作有重要的意義。

本文以深井近距離上保護層開采遺留區(qū)段煤柱為工程背景，從煤柱極限強度計算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場探測3個角度對遺留煤柱狀態(tài)進行研究，確定遺留煤柱現(xiàn)存狀態(tài)。研究成果可為類似條件的保護層開采方案及被保護層保護范圍研究提供理論和技術支撐。

1 工程背景

平煤四礦位于河南省平頂山市，己15-23160工作面是平煤四礦己三采區(qū)二水平最后一個己15煤層的工作面，煤層厚度平均1.6m，平均傾角8.0°，與下部己16.17煤層平均層間距9m。直接頂粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，老頂中粗粒砂巖，直接底泥巖，老底粉砂質(zhì)泥巖。己15-23160工作面及鄰近工作面位置關系，如圖1所示。

圖1 己15-23160工作面位置關系

己15-23160工作面淺部是己15-23140工作面，深部是己15-31020工作面，下部是己16.17-23160工作面。己15煤層遺留的區(qū)段煤柱在己15-23160聯(lián)絡巷兩側(cè)，兩個區(qū)段煤柱寬度均為4m，中間間隔寬度為5m的己15-23160聯(lián)絡巷。己16.17-23140工作面深部是與己16.17-23140機巷間隔4m煤柱的己16.17-23160風巷，己16.17-23160風巷平面圖上與己15-23140機巷重疊，位于己15-23140機巷的正下方。

2 區(qū)段煤柱破壞受力分析

2.1 區(qū)段煤柱類型分析

煤柱類型根據(jù)遺留區(qū)段煤柱兩側(cè)開采情況分為兩類[16，17]：當遺留區(qū)段煤柱僅一側(cè)為采空區(qū)時為單側(cè)采空區(qū)段煤柱，如圖2(a)所示；當區(qū)段煤柱兩側(cè)均為采空區(qū)時為雙側(cè)采空區(qū)段煤柱，如圖2(b)(c)(d)所示。兩側(cè)采空煤柱應力分布受煤柱寬度(w)和采動應力最大影響距離(L)影響，如圖2(b)(c)(d)所示。

Ⅰ—破碎區(qū)；Ⅱ—應力增大區(qū)；Ⅲ—應力降低區(qū)；Ⅳ—原始煤體區(qū)；Ⅴ—應力疊加區(qū)圖2 區(qū)段煤柱垂直應力分布

從圖2(a)可以看出，單側(cè)采空煤柱從臨空側(cè)煤壁開始分為連續(xù)的四個區(qū)域。從圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)可以看出，當煤柱尺寸大于2L時，存在未受擾動的原巖應力區(qū)；當煤柱小于寬度大于L、小于2L時煤柱承受應力呈“駝峰”型；當煤柱寬小于L時，應力峰值處出現(xiàn)應力疊加現(xiàn)象，應力分布呈近似梯形，煤柱可能受到嚴重破壞[18]。平煤四礦遺留寬度4m的區(qū)段煤柱應力峰值距離通過式(1)[17]計算。

l=12.015-0.475f-0.16Rc1-0.199θ

+1.593M+1.7×10-3H

(1)

式中，l為己15遺留區(qū)段煤柱邊緣與傾向支承壓力峰值點間的距離，m；f為己15煤層煤的堅固性系數(shù)，取f=0.6；Rc1為己15煤層煤柱頂板巖層的抗壓強度，取Rc1=20.0MPa；θ為己15煤層的傾角，取8.0°；M為己15-23160工作面采高，取1.6m；H為己15-23160聯(lián)絡巷埋深，取900m。計算結果為l=11.0m，由圖2(a)可知L>l=11.0m，平煤四礦遺留區(qū)段煤柱屬于w

2.2 煤柱極限強度計算

煤柱極限強度計算公式常規(guī)表達式分為兩類[19]：①式(2)中的線性表達式；②式(3)中的功率表達式。

式中，Sp為煤柱極限強度，MPa；Scube為單軸抗壓強度，取5.6MPa；w為煤柱寬度，取4m；h為煤柱高度，1.6m。

選擇幾個具有代表性的公式計算己15煤層遺留煤柱極限強度，結果見表1，將計算結果最大值作為煤柱最大極限強度。

表1 煤柱極限強度計算結果表

3 區(qū)段煤柱數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立

基于FLAC3D軟件，以平煤四礦己15-23160兩側(cè)遺留區(qū)段煤柱為原型，建立如圖3所示的計算模型，并對模型進行網(wǎng)格細化處理。模擬材料本構模型選用摩爾-庫倫模型，建模參數(shù)見表2。模型上部邊界條件設定為上覆煤巖層重量，由式4計算得到。下部邊界條件設定為己16.17煤層底板，在x軸、y軸方向能夠移動，z軸固定。兩側(cè)邊界條件設定為側(cè)面煤巖體固定，僅在z軸方向移動。

圖3 數(shù)值模擬模型圖

表2 煤巖層物理力學參數(shù)

上覆巖層重力計算公式：

σ=γH

(4)

式中，σ為己15煤柱的原巖應力，MPa；γ為己15煤柱上覆巖層的平均容重，取25kN/m3；H為己15煤柱的埋深，取900m。σ=γH=25×900×10-3=22.5MPa。

3.2 模擬結果分析

模擬實際采掘次序，分四步開挖，垂直應力分布如圖4所示，開挖結束后塑性區(qū)分布如圖5所示。

圖4 垂直應力分布剖面

圖5 塑性區(qū)分布剖面

由圖4(a)可知，煤柱兩側(cè)工作面回采后應力重新分布，煤柱內(nèi)出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，煤柱1、煤柱2承載最大垂直應力分別為127.2MPa和70.0MPa。由圖4(b)可知，己16.17-23140機巷掘進期間，煤柱1、煤柱2承載應力均增大，分別為131.1MPa和80.0MPa。由圖4(c)可知，己16.17-23140工作面回采反而降低了煤柱承載應力，分別為120.0MPa和70.0MPa。由圖4(d)可知，己16.17-23160風巷掘進后煤柱承載應力變化趨勢不一致，煤柱1承載應力降低，煤柱2承載應力升高，數(shù)值上基本一致為85.1MPa。統(tǒng)計模擬過程中煤柱垂直應力和第二章煤柱極限強度計算值，如圖6所示。

圖6 模擬的集中應力與煤柱極限強度對比

由圖5可知，己15-23140、己15-23160、己16.17-23140工作面開采結束，己16.17-23160風巷掘進期間，己15煤層遺留的煤柱1和煤柱2塑性破壞完全導通，煤柱整體處于塑性破壞范圍。

由圖6可知，模擬過程中煤柱1承載垂直應力前期一直大于煤柱2，己16.17-23160風巷掘進后基本相等。煤柱1呈現(xiàn)先上升后持續(xù)下降的現(xiàn)象，煤柱2呈現(xiàn)先升后降、再降又升小幅度波動的現(xiàn)象。模擬中煤柱承受的垂直應力為原巖應力的3.1～5.8倍，為煤柱最大極限強度的2.7～5.0倍，理論上遺留煤柱均已發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4 區(qū)段煤柱現(xiàn)場探測

4.1 探測方案

將遺留原始煤柱高度均為1.6m的己15-23160聯(lián)絡巷-4點以里132.2m處和-4點以里42.4m處區(qū)段煤柱作為探測的目標點。開鉆點位于己16.17-23160風巷-2+1點以里26.7m處和116.7m處頂板，每個探測組各有5個探煤鉆孔，鉆孔施工參數(shù)見表3，鉆孔布置如圖7所示。

圖7 探煤組鉆孔布置

表3 探煤鉆孔施工參數(shù)表

T1探煤組及T2探煤組以3號探煤鉆孔為中心呈對稱分布，兩個探煤組中2號、3號及4號鉆孔位置一致。3號探煤鉆孔終孔位置設計在己15-23160聯(lián)絡巷中間，2號、4號探煤鉆孔終孔位置分別設計在遺留的兩個煤柱中部，2號鉆孔位于煤柱1，4號鉆孔位于煤柱2。兩個探煤組1號和5號鉆孔位置有差別，1號鉆孔距離煤柱1上幫煤壁分別為3m、4m，5號鉆孔距離煤柱2下幫煤壁分別為3m、4m。

4.2 探測結果及分析

T1-1鉆孔連續(xù)鉆進達10.3m時，孔口開始返黑水、煤渣，鉆進阻力減小，鉆進速度增加，以相對小的阻力和較快速度持續(xù)0.3m后，鉆孔返水黑色褪去，鉆進阻力增大，持續(xù)鉆進0.5m孔口返水和鉆進阻力無較大變化。其他探煤鉆孔也進行相應的鉆進記錄，鉆進記錄統(tǒng)計見表4。根據(jù)探煤組鉆孔施工參數(shù)和鉆進見煤長度推算出殘余煤柱高度，見表4繪制原始煤柱和殘余煤柱對比如圖8所示。

表4 探煤組鉆孔鉆進記錄統(tǒng)計表

圖8 己15煤層原始和殘余煤柱對比

由圖8可知，己15-23160聯(lián)絡巷兩側(cè)高度為1.6m的原始煤柱均發(fā)生失穩(wěn)破壞，經(jīng)探煤鉆孔探測殘余煤柱最大高度為0.64m，T1探測組和T2探測組探測結果一致，最大高度位于煤柱1位置，損失煤柱高度為0.96m，高度損失比為60%。煤柱高度損失0.96m相當于開采近1m厚的煤層，殘余煤柱不會對下部被保護層煤柱影響區(qū)形成明顯的應力集中區(qū)。己15-23160聯(lián)絡巷位置殘余煤柱高度略大于原始煤柱輪廓線外側(cè)，說明垮落煤體在兩煤柱中間出現(xiàn)疊加現(xiàn)象。煤柱2下幫煤壁以深，T1探煤組探測了3m位置的殘余煤柱高度，T2探煤組探測了4m位置的殘余煤柱高度，分別為0.31m和0.24m，說明離原始煤柱距離越遠殘余煤柱高度越低。

5 結 論

1)理論計算得到煤柱最大極限強度為26.0MPa，煤柱最大極限強度大于原巖應力。

2)數(shù)值模擬得到煤柱1和煤柱2承載的最大垂直應力分別為131.1MPa、85.1MPa，分別為煤柱極限強度的5.0倍和3.3倍。

3)現(xiàn)場探測得到高度為1.6m原始遺留煤柱均發(fā)生坍塌垮落，殘余煤柱高度最大值為0.64m，且離原始煤柱距離越遠殘余煤柱高度越低高度損失比為60%。

4)原始煤柱高度損失0.96m，相當于近1m厚的煤層被開采，殘余煤柱不會對下部被保護層煤柱影響區(qū)形成明顯的應力集中區(qū)，保護效果有連續(xù)性。