特厚煤層條件下沿空側(cè)巷道護(hù)巷煤柱體寬度研究

李 政

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 晉城 048006)

煤炭資源采用井工開采，綜采工作面接續(xù)開采時(shí)鄰近工作面之間的區(qū)段保護(hù)煤柱體留設(shè)寬度合理性不僅關(guān)系到綜采工作面沿空側(cè)巷道圍巖的穩(wěn)定性，同時(shí)也關(guān)系到采區(qū)內(nèi)工作面回采率的提升，是制約采區(qū)內(nèi)工作面安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1-3].尤其在煤層厚度較大的情況下，區(qū)段煤柱留設(shè)過大，煤炭資源損失率嚴(yán)重。

1 工程地質(zhì)概況

位于山西省晉城市的某礦隸屬于晉能控股集團(tuán)所有，該礦目前正在開采井田范圍內(nèi)的西翼采區(qū)，該采區(qū)內(nèi)主采2#煤層厚度為8.5～10.6 m，平均厚度為9.1 m，采區(qū)內(nèi)煤層傾角變化為5°～12°，平均傾角為8°，屬于緩傾斜特厚煤層開采條件。2#煤層上方直接頂厚度為3.7～5.2 m，平均厚度為4.6 m，由泥巖和粉砂巖互摻組成；基本頂厚度為10.8～18.5 m，平均厚度為15.2 m，由細(xì)砂巖組成。2#煤層下方直接底厚度為1.6～3.2 m，平均厚度為2.4 m，由粉砂巖組成；基本底厚度為9.8～20.5 m，平均厚度為15.2 m，由中砂巖組成。西翼采區(qū)整體煤層標(biāo)高為+425.4～+536.7 m，地面標(biāo)高為+955.6～+1 098.3 m，平均埋深約為550 m.

該采區(qū)內(nèi)工作面開采高度為3.5 m，放頂煤高度為5.6 m，采放比為1∶1.6.采區(qū)內(nèi)1206工作面已經(jīng)回采結(jié)束，1208工作面也處于回采后期階段，由于1208工作面沿空側(cè)巷道原有護(hù)巷煤柱寬度為25 m，在特厚煤層開采條件下遺留煤柱體損失資源嚴(yán)重，因此有必要針對(duì)后續(xù)1210接續(xù)工作面沿空側(cè)的護(hù)巷煤柱體寬度進(jìn)行優(yōu)化研究。1210工作面布置平面情況見圖1.

2 護(hù)巷煤柱體寬度模擬分析

2.1 數(shù)值模擬模型的建立

基于西翼采區(qū)所處的工程地質(zhì)條件，采用FLAC2D數(shù)值軟件建立二維平面應(yīng)變模型，模型中各巖層選用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，并基于現(xiàn)場(chǎng)煤巖體的力學(xué)特性對(duì)模型中的各巖層進(jìn)行賦值，模型中各巖層的賦值力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 煤巖體力學(xué)性能參數(shù)表

考慮到工作面沿傾向?qū)挾葹?80 m以及模型邊界效應(yīng)情況，所建立的二維平面模型尺寸為寬300 m×高100 m.模型上表面距離地表的距離約為500 m，假設(shè)上覆巖層平均容重為2 500 kN/m3，因此在模型的上表面施加大小為12.5 MPa的等效載荷(模型上表面距離地表的距離×上覆巖層平均容重)代替覆巖的重力，同時(shí)對(duì)模型的兩側(cè)邊界進(jìn)行水平位移約束，模型的下邊界采用固定約束。根據(jù)礦井地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，對(duì)于模型的側(cè)壓系數(shù)取值為1.3，重力加速度設(shè)置為10.0 m/s2.模型中沿空側(cè)巷道尺寸為寬4.2 m×高3.5 m，其與回采工作面之間的護(hù)巷煤柱體寬度即為該模型所研究的重點(diǎn)。

2.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)所建立的二維平面模型，首先對(duì)模型進(jìn)行初始模擬運(yùn)算至應(yīng)力平衡狀態(tài)；在此基礎(chǔ)上對(duì)工作面位置進(jìn)行回采開挖，并在回采后再次進(jìn)行模擬運(yùn)算至應(yīng)力平衡狀態(tài)；最后對(duì)于沿空側(cè)巷道進(jìn)行掘進(jìn)開挖，并在開挖結(jié)束后再次進(jìn)行模擬運(yùn)算至應(yīng)力平衡狀態(tài)。整個(gè)模擬運(yùn)算過程中，通過不斷調(diào)整沿空側(cè)護(hù)巷煤柱寬度，得到不同煤柱體寬度條件下其內(nèi)部應(yīng)力、位移的變化規(guī)律。

對(duì)于煤柱體寬度的假設(shè)，依次取值為5 m、7 m、9 m、11 m、13 m、15 m、20 m、25 m和30 m共計(jì)9種情況進(jìn)行模擬(在此對(duì)于大于25 m的煤柱體也進(jìn)行了模擬，使得模擬數(shù)據(jù)更加豐富)，并通過在煤柱體內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到整個(gè)煤柱體內(nèi)的應(yīng)力、位移演化規(guī)律。

1)不同寬度煤柱體內(nèi)垂直應(yīng)力。

不同寬度煤柱體內(nèi)的垂直應(yīng)力模擬結(jié)果見圖2.

由圖2可知，隨著煤柱體寬度值的增大，煤柱體內(nèi)的垂直應(yīng)力分布形式由一開始的單峰值應(yīng)力曲線逐漸向雙峰值應(yīng)力曲線過渡。當(dāng)煤柱體寬度值不大于11 m時(shí)，煤柱體內(nèi)部的垂直應(yīng)力呈單峰值應(yīng)力曲線分布形式;當(dāng)煤柱體寬度大于13 m時(shí)，煤柱體內(nèi)部的垂直應(yīng)力開始逐漸呈現(xiàn)出雙峰值應(yīng)力曲線分布形式。

圖2 不同寬度煤柱體內(nèi)垂直應(yīng)力分布圖

可見，在煤柱寬度較小為5 m和7 m時(shí)，煤柱體內(nèi)的峰值應(yīng)力小于原巖應(yīng)力值12.5 MPa，這表明此時(shí)煤柱體在較高的支承應(yīng)力作用下發(fā)生整體塑性變形，承載性能較差，穩(wěn)定性不足于保護(hù)沿空巷道的正常生產(chǎn)需求。當(dāng)煤柱體寬度為9 m和11 m時(shí)，煤柱體內(nèi)部的垂直應(yīng)力依舊呈單峰值應(yīng)力曲線分布形式，但其峰值應(yīng)力大于原巖應(yīng)力值12.5 MPa，這表明此時(shí)煤柱體內(nèi)存在一定范圍的彈性區(qū)而能夠承載較高的支承應(yīng)力。在煤柱體寬度較大為13 m和15 m時(shí)，煤柱體內(nèi)的雙峰值應(yīng)力遠(yuǎn)高于原巖應(yīng)力值12.5 MPa，煤柱體將會(huì)承載較大的支承應(yīng)力而導(dǎo)致應(yīng)力環(huán)境較差，存在受采動(dòng)擾動(dòng)影響而失穩(wěn)破壞的潛在危險(xiǎn)性。隨著煤柱體寬度的進(jìn)一步增大，當(dāng)煤柱體寬度不小于20 m時(shí)，煤柱體的雙峰值應(yīng)力也隨著煤柱體寬度的增加而進(jìn)一步減小，且較大的煤柱體寬度也保證了煤柱體內(nèi)部有大范圍的彈性區(qū)保持煤柱體的穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)于沿空側(cè)巷道能夠起到很好的護(hù)巷效果。

綜上分析可知，在煤柱體寬度取小煤柱(9 m、11 m)和大煤柱(20 m、25 m、30 m)時(shí)，均能夠較好地起到對(duì)于沿空側(cè)巷道的護(hù)巷效果，但是考慮到小煤柱護(hù)巷條件下能夠開采更多煤炭資源，因此初步選定煤柱體寬度取值為9 m或者11 m.

2)不同寬度煤柱體內(nèi)水平位移。

不同寬度煤柱體內(nèi)的水平位移模擬結(jié)果見圖3.

圖3 不同寬度煤柱體內(nèi)水平位移分布圖

由圖3可知，隨著煤柱體寬度的增大，煤柱體內(nèi)的最大水平位移量呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。對(duì)比基于垂直應(yīng)力分析所選定的9 m和11 m兩種煤柱寬度下其內(nèi)部的最大水平位移量可知，當(dāng)煤柱體寬度取值11 m時(shí)，其內(nèi)部最大水平位移量為117.3 mm，而當(dāng)煤柱體寬度取值9 m時(shí)，其內(nèi)部最大水平位移量為146.1 mm，相差將近30 mm，可見選用寬度為11 m的煤柱體能夠更好地對(duì)沿空側(cè)巷道起到護(hù)巷效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性應(yīng)用

3.1 電磁輻射監(jiān)測(cè)

基于數(shù)值模擬從垂直應(yīng)力和水平位移的角度分析可知，現(xiàn)場(chǎng)選用11 m的小煤柱進(jìn)行沿空側(cè)巷道的護(hù)巷最為合理。將數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用于1210工作面掘巷階段，并對(duì)沿空側(cè)1210軌道平巷護(hù)巷小煤柱體采用電磁輻射儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)方案見圖4.

如圖4所示，采用手持式KBD-5型電磁輻射儀對(duì)小煤柱側(cè)圍巖進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，其中每個(gè)測(cè)點(diǎn)的間距取值在10～20 m(在此取值為10 m)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)至少監(jiān)測(cè)3 min，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖5.

圖4 電磁輻射監(jiān)測(cè)方法圖

對(duì)比圖5中原有25 m寬煤柱體(1208工作面沿空側(cè)巷道)和優(yōu)化后的11 m寬小煤柱體(1210工作面沿空側(cè)巷道)護(hù)巷期間的電磁輻射值可知，采用優(yōu)化后的11 m寬小煤柱體后煤柱體內(nèi)的電磁輻射值進(jìn)一步減小，電磁輻射平均值由原來的45 mV降低至28 mV，降幅高達(dá)38%.考慮到電磁輻射值的大小與煤柱體內(nèi)煤巖體所承載的應(yīng)力大小呈正相關(guān)關(guān)系[4]，因此可以判定優(yōu)化后的小煤柱體內(nèi)煤巖體的應(yīng)力環(huán)境要優(yōu)于之前的大煤柱體，煤柱體穩(wěn)定性較好。

圖5 電磁輻射監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

3.2 震動(dòng)幅度監(jiān)測(cè)

在現(xiàn)場(chǎng)布置2個(gè)拾震器(1#和2#拾震器，間隔200 m)分別對(duì)原有25 m寬煤柱體(1208工作面沿空側(cè)巷道)和優(yōu)化后的11 m寬小煤柱體(1210工作面沿空側(cè)巷道)護(hù)巷期間的震動(dòng)幅度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而判定在采掘活動(dòng)擾動(dòng)影響下煤柱體的穩(wěn)定性，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖6.

圖6 震動(dòng)幅度監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

由圖6可知，在采掘活動(dòng)擾動(dòng)作用下，無論是在原有25 m寬煤柱體護(hù)巷作用下還是在優(yōu)化后的11 m寬小煤柱體護(hù)巷作用下，煤柱體受采掘作業(yè)擾動(dòng)影響所產(chǎn)生的震動(dòng)波的震幅譜具有較好的一致性，且最大震幅均不超過10 000 μm，煤柱體穩(wěn)定性較好，能夠滿足工作面生產(chǎn)作業(yè)需要。因此,選用優(yōu)化后的11 m寬小煤柱體護(hù)巷能夠在采掘活動(dòng)擾動(dòng)作用下依舊保持較好的穩(wěn)定性，起到對(duì)沿空側(cè)巷道的保護(hù)效果。

3.3 掘進(jìn)期間礦壓監(jiān)測(cè)

采用優(yōu)化后的11 m寬小煤柱體護(hù)巷后，通過在1210軌道平巷內(nèi)設(shè)置間隔20 m的3組測(cè)站對(duì)其巷道圍巖收斂變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)站內(nèi)采用十字監(jiān)測(cè)法進(jìn)行觀測(cè)[5]，通過在巷道圍巖表面(頂板、底板、兩幫)中點(diǎn)位置處各安裝一個(gè)倒釘，并在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)頂、底板倒釘相對(duì)移近量和兩幫倒釘相對(duì)移近量，進(jìn)而得到11 m寬小煤柱護(hù)巷條件下的巷道圍巖收斂結(jié)果，見圖7.

由圖7b)可知，在監(jiān)測(cè)時(shí)間不大于20 d時(shí)，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，巷道圍巖頂、底板和兩幫收斂量呈急劇增大趨勢(shì)。當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間大于20 d后，巷道圍巖頂、底板和兩幫收斂量呈減緩趨勢(shì)，并逐漸趨于穩(wěn)定，說明在11 m寬小煤柱護(hù)巷條件下沿空側(cè)巷道圍巖變形量得到有效控制，最終巷道圍巖頂、底板收斂量為129 mm，兩幫收斂量為109 mm.相較于巷道斷面尺寸寬4.2 m×高3.5 m可知，巷道圍巖頂、底板收斂率僅為3.7%，兩幫收斂率僅為2.6%，均控制在5%以內(nèi)。可見巷道圍巖變形控制效果良好，能夠滿足工作面正常生產(chǎn)需求。

圖7 11 m寬小煤柱護(hù)巷礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

4 結(jié) 論

1)基于“內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)”理論分析得知，在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的影響范圍內(nèi)留設(shè)小煤柱開采能夠起到承載較低的側(cè)向支承應(yīng)力的效果，而在外應(yīng)力場(chǎng)的影響范圍內(nèi)則需要留設(shè)大煤柱開采才能夠起到承載較高的側(cè)向支承應(yīng)力的效果。從理論的角度驗(yàn)證了留設(shè)小煤柱護(hù)巷的可行性。

2)根據(jù)FLAC2D軟件所建立的二維平面模型，對(duì)不同寬度煤柱體內(nèi)垂直應(yīng)力和水平位移進(jìn)行了精細(xì)化模擬研究，最終確定選用寬度為11 m的煤柱體時(shí)能夠較好地對(duì)沿空側(cè)巷道起到護(hù)巷效果。

3)將數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)用于1210工作面掘巷期間，并通過電磁輻射監(jiān)測(cè)、震動(dòng)幅度監(jiān)測(cè)以及掘進(jìn)期間礦壓監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)測(cè)方法，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性。