王亞飛
(霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦,山西 呂梁 033200)
能源賦存結(jié)構(gòu)特征決定了煤炭是我國(guó)的主要消費(fèi)能源,支撐著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,雖然國(guó)家推廣能源結(jié)構(gòu)向綠色轉(zhuǎn)變,但是煤炭的需求量和開采強(qiáng)度仍然在持續(xù)增加[1-2],目前在中東部礦區(qū),淺部?jī)?yōu)質(zhì)的煤炭資源已逐漸開采殆盡,提高煤炭回收率也逐漸引起重視。專家學(xué)者提出了無(wú)煤柱開采技術(shù),并得到了廣泛應(yīng)用,無(wú)煤柱開采技術(shù)主要包括沿空掘巷和沿空留巷2 種[3-4],其中,沿空掘巷是沿上區(qū)段采空區(qū)留設(shè)一定寬度(一般為3~14 m)的煤柱掘進(jìn)下區(qū)段的回采巷道,該技術(shù)的在于煤柱寬度的確定,煤柱寬度較寬,煤柱長(zhǎng)期受支承壓力影響(處于應(yīng)力增高區(qū)),不利于煤柱穩(wěn)定,而煤柱寬度較窄時(shí)則不利于采空區(qū)密閉,都會(huì)造成適得其反的效果[5-6],本文以龐龐塔礦10 號(hào)煤層綜放工作面沿空掘巷為工程背景,通過理論計(jì)算綜放沿空掘巷煤柱合理寬度,同時(shí)進(jìn)一步采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行10 號(hào)煤層綜放沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化研究。
龐龐塔煤礦位于山西臨縣,礦井主采太原組中下部10 號(hào)煤層,煤厚11.8 m,傾角15°,煤層直接頂為厚16.0 m 的深灰色石灰?guī)r,致密塊狀,節(jié)理發(fā)育,性堅(jiān)韌;偽頂為0.5~1 m 厚的灰色泥巖,中厚層狀;底板為3.0 m 厚的淺黑色砂質(zhì)泥巖,薄層狀,裂隙發(fā)育。10 號(hào)煤層用綜放開采工藝,工作面采高3.0 m,放煤高度8.8 m,采放比2.93∶1,采用單向割煤、單輪順序放煤工藝,一采一放,割煤、放煤步距均為0.8 m。煤層1、7 采區(qū)工作面區(qū)段煤柱寬度普遍在20 m 以上,煤柱損失量較大,為提高煤炭回收率,龐龐塔礦計(jì)劃開展區(qū)段小煤柱沿空掘巷工業(yè)性試驗(yàn)。
工作面自開切眼向前推進(jìn)一段距離時(shí),首先在懸露基本頂巖層的中央位置及2 個(gè)長(zhǎng)邊位置形成平行的斷裂線,然后再在短邊形成斷裂線,并與長(zhǎng)邊斷裂線相互貫通,最后基本頂巖層沿貫通的斷裂線發(fā)生回轉(zhuǎn)且形成形成結(jié)構(gòu)塊(巖塊B 和C),基本頂巖層在采空區(qū)中部接觸矸石后,運(yùn)動(dòng)較平緩,基本頂巖層初次破斷后的平面圖形近似呈橢圓狀,隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn),頂板巖層周邊斷裂線回轉(zhuǎn)形成周期性垮落,又形成新的結(jié)構(gòu)塊[7]。
在沿空掘巷時(shí),直接頂巖層受到關(guān)鍵塊體(巖塊B)的運(yùn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)下沉,關(guān)鍵塊體(巖塊B)的穩(wěn)定情況直接影響到沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定,一般來(lái)說,煤柱寬度較窄時(shí)將無(wú)法阻止上覆關(guān)鍵塊體(巖塊B)的旋轉(zhuǎn)下沉,基本頂巖層破斷下沉?xí)r,窄煤柱將進(jìn)入塑性屈服狀態(tài),以適應(yīng)關(guān)鍵塊體(巖塊B)的旋轉(zhuǎn)下沉,減小對(duì)窄煤柱的壓力[7]。
圖1 沿空掘巷覆巖破斷模型
關(guān)鍵塊相關(guān)的參數(shù)主要包括塊體沿推進(jìn)方向的長(zhǎng)度、側(cè)向跨度以及斷裂位置。
圖2 關(guān)鍵塊B 的主要參數(shù)
1)關(guān)鍵塊沿推進(jìn)方向的長(zhǎng)度L1為基本頂周期來(lái)壓步距,根據(jù)10 號(hào)煤層已采工作面礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測(cè),周期來(lái)壓平均步距為24 m。
2)關(guān)鍵塊側(cè)向跨度L2為基本頂斷裂后塊體沿采場(chǎng)傾向的懸跨長(zhǎng)度,可采用公式(1)計(jì)算得到:
式中:工作面取200 m,L1取24 m,計(jì)算得到關(guān)鍵塊側(cè)向跨度L2=24.6 m。
3)關(guān)鍵塊斷裂位置一般位于煤體彈塑性交接處,可采用公式(2)計(jì)算得到:
式中:工作面采高m取9.89 m(考慮頂煤回收率),側(cè)壓系數(shù)A取0.2,工作面開采煤層煤體內(nèi)摩擦角φ0、內(nèi)聚力C0分別取12°、1.2 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)K、上覆巖層容重γ分別取2.5、25 kN/m3,巷道埋深H取400 m。
經(jīng)計(jì)算關(guān)鍵塊斷裂位置X0=5.0 m。
煤柱合理寬度應(yīng)包括煤幫塑性區(qū)寬度、錨桿長(zhǎng)度以及煤柱安全系數(shù),采用公式(3)計(jì)算:
式中:X1為煤幫塑性區(qū)寬度,根據(jù)關(guān)鍵塊斷裂位置確定,取5.0 m;X2為錨桿長(zhǎng)度取2.0 m;X3為煤柱安全系數(shù)取(0.15~0.35)·(Xl+X2)。
經(jīng)計(jì)算,龐龐塔礦10 號(hào)煤層綜放面區(qū)段煤柱寬度應(yīng)在8~9.5 m 范圍。
建立基于龐龐塔礦10 號(hào)煤層實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件的FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型,分析不同階段不同煤柱寬度下煤柱應(yīng)力分布規(guī)律。
圖3 給出了上區(qū)段工作面回采后圍巖應(yīng)力分布云圖,如圖所示,受上區(qū)段工作面回采影響,采場(chǎng)圍巖應(yīng)力在較大范圍內(nèi)進(jìn)行了重新分布,在工作面頂?shù)装鍘r層中出現(xiàn)大范圍的卸壓區(qū)域,而工作面端頭位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,由圖可知,在距工作面端頭8 m 以內(nèi)區(qū)域?yàn)閼?yīng)力降低區(qū),距離工作面端頭10~15 m 區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū),應(yīng)力核區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力最高達(dá)30 MPa 以上。
圖3 圍巖應(yīng)力分布云圖
圖4 給出了上區(qū)段工作面回采后的側(cè)向支承壓力分布曲線圖,從圖中可以看出,工作面煤層內(nèi)原巖應(yīng)力為12.5 MPa,距離采空區(qū)邊緣0~9.0 m 范圍內(nèi)煤體垂直應(yīng)力低于原巖應(yīng)力,屬于應(yīng)力降低區(qū),煤柱內(nèi)支承應(yīng)力峰值為32.0 MPa,距離采空區(qū)邊緣13.0 m,集中系數(shù)2.5。
圖4 側(cè)向支承壓力分布
圖5 給出了掘巷階段煤柱寬度為6、7、8、9 m對(duì)應(yīng)的巷道圍巖應(yīng)力分布云圖,有圖可知,不同煤柱寬度下的巷道圍巖均處于應(yīng)力降低區(qū),距離巷道上幫5~15 m 區(qū)域?yàn)槊后w應(yīng)力集中區(qū),應(yīng)力核區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力25~32 MPa。
圖5 掘巷階段巷道圍巖應(yīng)力分布
圖6 掘巷階段底板垂直應(yīng)力分布
圖6 給出了掘巷階段煤柱寬度為6、7、8 、9 m對(duì)應(yīng)的底板垂直應(yīng)力分布曲線圖(取煤層底板以下3 m 沿傾向作1 條觀測(cè)線),從圖中可以看出,當(dāng)煤柱寬度由6.0 m 增加至9.0 m 時(shí),煤層底板觀測(cè)線傳播的最大應(yīng)力3.0 MPa 增加至6.5 MPa,均低于原巖應(yīng)力(12.5 MPa),巷道均處于應(yīng)力降低區(qū),底板觀測(cè)線傳播應(yīng)力峰值為26.0~28.0 MPa。
圖7 給出了二次回采階段煤柱寬度為6、7、8、9 m 對(duì)應(yīng)的二次圍巖應(yīng)力分布云圖,如圖所示,二次回采階段不同寬度的煤柱都處于卸壓破碎狀態(tài),雖然巷道圍巖處于應(yīng)力降低區(qū),但煤柱出現(xiàn)了嚴(yán)重的破碎變形,煤柱應(yīng)力分布對(duì)比發(fā)現(xiàn),煤柱寬度9 m時(shí),中部出現(xiàn)寬度1.5~2 m 彈性核區(qū),有利于保持煤柱的穩(wěn)定性。
圖8 給出了回采階段煤柱寬度為6、7、8、9 m對(duì)應(yīng)的底板垂直應(yīng)力分布曲線圖(取煤層底板以下3 m 沿傾向作1 條觀測(cè)線),從圖中可以看出,當(dāng)煤柱寬度由6.0 m 增加至9.0 m 時(shí),煤層底板觀測(cè)線傳播的最大應(yīng)力2.6 MPa 增加至3.5 MPa,均顯著低于原巖應(yīng)力(12.5 MPa),煤柱寬度為6.0 m 時(shí),應(yīng)力曲線呈單峰分布,煤柱寬度為9.0 m 時(shí),應(yīng)力曲線呈平底狀分布,表明煤柱寬度為9.0 m 時(shí),煤柱整體承載性較好。
圖7 掘巷階段巷道圍巖應(yīng)力分布
圖8 回采階段時(shí)底板垂直應(yīng)力分布
基于煤柱合理寬度的理論計(jì)算結(jié)果以及不同階段煤柱寬度對(duì)煤柱應(yīng)力演化的影響規(guī)律,同時(shí),考慮到10 號(hào)煤層煤質(zhì)較軟、小煤柱易片幫等特點(diǎn),最終確定10 號(hào)煤層綜放沿空掘巷煤柱寬度為9 m。
工作面區(qū)段煤柱受長(zhǎng)期載荷作用產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象,由此造成煤柱變形能否穩(wěn)定,主要取決于上覆巖層作用的載荷和煤柱的臨界承載能力,如果煤柱承受載荷小于其臨界承載能力,那么煤柱僅穩(wěn)定蠕變,不會(huì)造成煤柱破壞失穩(wěn),如果煤柱承受載荷大于其臨界承載能力,那么煤柱將出現(xiàn)不穩(wěn)定蠕變,在長(zhǎng)期載荷的作用下將導(dǎo)致煤柱的破壞失穩(wěn)。
由于長(zhǎng)期載荷作用,煤柱發(fā)生蠕變,煤柱的強(qiáng)度隨之降低,因此,保證煤柱的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度是煤柱穩(wěn)定的一個(gè)很重要因素,當(dāng)煤柱的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度在允許范圍內(nèi),煤柱可以長(zhǎng)期受載,其蠕變變形屬于穩(wěn)定蠕變,資料表明,井下巷道開挖后,其圍巖中的應(yīng)力重新分布,在初期可保持穩(wěn)定的圍巖,隨時(shí)間推移最終可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。
煤柱的動(dòng)力穩(wěn)定性是指煤柱在時(shí)間的推移下能否保持平衡及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能的性質(zhì),在外界某種因素的擾動(dòng)下,如果煤柱力學(xué)系統(tǒng)能夠保持原來(lái)的平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài),則煤柱力學(xué)系統(tǒng)是穩(wěn)定的,如果煤柱力學(xué)系統(tǒng)不能保持原來(lái)的平衡狀態(tài),則煤柱力學(xué)系統(tǒng)是非穩(wěn)定的,即煤柱的動(dòng)力失穩(wěn)就是煤柱在外界動(dòng)力作用的影響下,平衡狀態(tài)突然改變的過程[8]。
龐龐塔煤礦10 號(hào)煤層采用綜采放頂煤技術(shù)之后,開采高度加大,頂板破斷尤其是直接頂16 m 厚的石灰?guī)r破斷有可能導(dǎo)致工作面發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害,而動(dòng)力災(zāi)害又與煤柱穩(wěn)定性密切相關(guān)。礦井動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生時(shí),煤、巖力學(xué)系統(tǒng)釋放巨大能量,從而導(dǎo)致煤柱的動(dòng)力失穩(wěn),引發(fā)頂板的大面積垮落。
根據(jù)煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和動(dòng)力穩(wěn)定性分析,煤柱失穩(wěn)的條件主要有:①煤柱承載能力低于所受載荷;②煤柱的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度小于其發(fā)生非穩(wěn)定蠕變時(shí)的載荷;③煤柱的瞬時(shí)強(qiáng)度小于所受動(dòng)力載荷[9]。
1)提高煤柱的承載能力。根據(jù)A.H.Wilson 煤柱力學(xué)模型,煤柱的極限承載能力和煤柱寬度直接相關(guān),要提高煤柱的承載能力最方便的手段就是增大煤柱寬度。
2)提高煤柱長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度。龐龐塔礦10 號(hào)煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育,以寬條帶結(jié)構(gòu)為主,其次為線理狀結(jié)構(gòu),煤層的硬度小、脆度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含夾矸1~4 層,夾矸性多為炭質(zhì)泥巖,其硬度相對(duì)較小,因此,為提高煤柱長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度可采取必要的加固措施。
3)預(yù)防沖擊載荷。可通過改善巷道圍巖應(yīng)力分布特征或彈性能集中程度,及時(shí)對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行卸壓處理,防止采空區(qū)大面積懸頂,同時(shí)加強(qiáng)煤柱側(cè)的巷道支護(hù),提高巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖擊能力。
為提高煤炭回收率,龐龐塔礦10 號(hào)煤層計(jì)劃進(jìn)行窄煤柱沿空掘巷的工業(yè)性試驗(yàn),本文建立了綜放沿空掘巷覆巖破斷模型,理論計(jì)算了綜放沿空掘巷煤柱的合理寬度,煤柱寬度應(yīng)在8~9.5 m 范圍,基于此,分析了掘巷階段和回采階段不同煤柱寬度下圍巖應(yīng)力演化規(guī)律,考慮到10 號(hào)煤層煤質(zhì)較軟、小煤柱易片幫等特點(diǎn),最終確定龐龐塔礦10 號(hào)煤層綜放沿空掘巷煤柱寬度為9 m,進(jìn)行了煤柱失穩(wěn)條件分析,并提出了煤柱失穩(wěn)防治措施。