近距離下伏煤層區(qū)段煤柱合理尺寸優(yōu)化方法研究

楊志弘

(山西忻州神達(dá)南岔煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700)

我國(guó)地下煤礦廣泛采用綜采工藝，特別針對(duì)近距離煤層綜采工作面而言，工作面間往往留設(shè)一定寬度的區(qū)段煤柱，其作用一方面在于隔離采空區(qū)，另一方面在于保證下區(qū)段巷道的穩(wěn)定[1]。如果煤柱留設(shè)寬度較小，將導(dǎo)致煤柱應(yīng)力擾動(dòng)范圍內(nèi)的巷道變形嚴(yán)重，不利于巷道穩(wěn)定；如果煤柱寬度較大，將造成不必要的資源損失與浪費(fèi)。因此，合理的煤柱留設(shè)寬度對(duì)于工作面巷道的穩(wěn)定及礦產(chǎn)資源高效回收具有重要影響[2-3]。針對(duì)近距離煤層回采條件，通過(guò)對(duì)原留設(shè)區(qū)段煤柱尺寸進(jìn)行合理優(yōu)化，對(duì)于礦山安全高效開(kāi)采至關(guān)重要[4-6]。

在煤柱尺寸優(yōu)化研究方面，趙鐵林[7]采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的研究方法，分析了特厚煤層綜放開(kāi)采沿空掘巷煤柱寬度的合理尺寸為6 m；裴治[8]采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和數(shù)值模擬方法對(duì)王村煤礦護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，指出12 m煤柱可以兼顧煤柱穩(wěn)定性和提高采出率的要求；商鐵林等[9]分析了上覆巖層的垮落結(jié)構(gòu)和區(qū)段煤柱的受力狀態(tài)，給出了區(qū)段煤柱合理寬度的理論計(jì)算公式。綜合文獻(xiàn)分析，對(duì)于煤柱尺寸優(yōu)化研究主要集中在單一煤層開(kāi)采工藝條件，對(duì)于近距離煤層開(kāi)采，下伏煤層巷道布置及區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸留設(shè)主要受上伏煤層區(qū)段煤柱應(yīng)力擾動(dòng)影響，針對(duì)近距離下伏煤層區(qū)段煤柱合理尺寸優(yōu)化方法有待進(jìn)一步研究。

為此，本文以某礦近距離煤層開(kāi)采為工程背景，分析了不同煤柱寬度支承壓力分布特征，給出了下煤層應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度理論修正計(jì)算式，結(jié)合數(shù)值模擬分析確定了合理的下伏煤層區(qū)段煤柱尺寸，在保證工作面巷道的穩(wěn)定的同時(shí)，有效釋放了煤柱資源。

1 工作面概況

某煤礦礦井面積177 km2，煤炭?jī)?chǔ)量15.42 億t，其中可采儲(chǔ)量9.27億t.3號(hào)煤層平均厚度為2.25 m， 4號(hào)煤層厚度4.65～5.85 m，平均厚度5.3 m，煤層傾角0～3°，平均傾角0.8°，4號(hào)煤層中下部普遍含一層夾矸，局部區(qū)域中上部含一層夾矸，巖性為褐黃色泥巖，平均厚0.1 m.兩煤層平均間距約為10 m，煤巖體綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

礦井工作采用綜采一次采全高、后退式全部垮落法管理頂板，相鄰工作面之間留設(shè)24 m寬度的區(qū)段煤柱，45203工作面布置情況如圖2所示。工作面開(kāi)采過(guò)程中，為保證合理有效回收煤炭資源，減少資源損失，特開(kāi)展近距離下伏煤層合理區(qū)段煤柱尺寸確定方法研究，通過(guò)對(duì)原24 m寬區(qū)段煤柱尺寸進(jìn)行合理優(yōu)化，釋放煤柱資源，實(shí)現(xiàn)工作面安全高效開(kāi)采。

圖2 45203工作面布置圖

2 不同煤柱寬度支承壓力分布特征分析

當(dāng)區(qū)段煤柱兩側(cè)工作面回采結(jié)束后，根據(jù)留設(shè)煤柱寬度的不同，其應(yīng)力分布特征主要表現(xiàn)為以下兩種類型。

1) 大煤柱條件。當(dāng)區(qū)段煤柱寬度(24 m)較大時(shí)，煤柱兩側(cè)支承壓力由邊緣向內(nèi)部逐漸增加至峰值后不能降低至原巖應(yīng)力水平，而是在中部產(chǎn)生支承壓力疊加，如圖3所示。煤柱兩側(cè)塑性區(qū)范圍較小，煤柱中部全為應(yīng)力增高彈性區(qū)，有利于煤柱整體的穩(wěn)定。

圖3 大煤柱條件垂直應(yīng)力分布圖

2) 小煤柱條件。當(dāng)煤柱尺寸(8 m)較小時(shí)，煤柱兩側(cè)支承壓力峰值將產(chǎn)生疊加，導(dǎo)致煤柱中部支承壓力趨近于兩側(cè)峰值壓力大小，如圖4所示。受煤柱兩側(cè)工作面采動(dòng)影響，峰值處的應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)4～5倍，煤柱在長(zhǎng)期較高的支承壓力作用下更容易發(fā)生塑性破壞。

圖4 小煤柱條件垂直應(yīng)力分布

綜合分析，在工作面煤柱兩側(cè)采空條件下，煤柱寬度越小，煤柱所受載荷越集中，峰值應(yīng)力向內(nèi)轉(zhuǎn)移，中部彈性核范圍減小，塑性區(qū)寬度增大，因此，在確定煤柱合理寬度時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮煤柱所處應(yīng)力環(huán)境的影響。

3 區(qū)段煤柱合理尺寸理論計(jì)算分析

3.1 區(qū)段煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型構(gòu)建

將煤體簡(jiǎn)化成均勻、連續(xù)、各向同性的理想彈-塑性材料，認(rèn)為區(qū)段煤柱首先從邊緣發(fā)生破壞，且塑性破壞范圍逐漸向內(nèi)擴(kuò)展，一直到與內(nèi)部彈性區(qū)交界處，并達(dá)到極限平衡狀態(tài)，利用極限平衡理論[10]，建立煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型

根據(jù)建立的煤柱力學(xué)模型可知，由于煤體與頂?shù)装鍘r層交界面的粘聚力C0和摩擦角φ0較煤體的小，在頂板巖層應(yīng)力作用下，煤體與頂板巖層在分界面將發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并伴有剪應(yīng)力τxy產(chǎn)生，在剪應(yīng)力作用下，煤體發(fā)生破壞，假設(shè)不考慮體積力，建立煤層界面應(yīng)力平衡微分方程：

(1)

式中：C0為煤層界面內(nèi)聚力，MPa；φ0為煤層界面內(nèi)摩擦角，°.

應(yīng)力邊界條件為：當(dāng)x=0時(shí)，σx=Px，σy=Px/A；當(dāng)x=x0時(shí)，σx=γH,σy=σyl.

結(jié)合應(yīng)力邊界條件，并根據(jù)應(yīng)力分析及具體推導(dǎo)過(guò)程，可得煤層界面應(yīng)力為：

(2)

式中：Px為錨桿支護(hù)對(duì)煤柱幫部的支護(hù)力，MPa；A為煤層的側(cè)壓力系數(shù)；γ為煤層頂板巖層的平均容重，kN/m3；σyl為煤柱極限強(qiáng)度，MPa.

應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x0為：

(3)

煤柱兩側(cè)受掘進(jìn)及采動(dòng)影響形成一定范圍的塑性破壞區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)的煤體對(duì)內(nèi)部煤體產(chǎn)生一定的側(cè)向應(yīng)力，即塑性約束，煤柱峰值應(yīng)力介于單向和三向受力狀態(tài)區(qū)域之間。因此，煤柱極限抗壓強(qiáng)度為：

σyl=2.729(ησc)0.729

(4)

式中：η為流變系數(shù)；σc為煤體試件單軸抗壓強(qiáng)度，MPa.

將公式(4)帶入公式(3)可得，應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x0為：

(5)

由于三盤(pán)區(qū)煤層已回采完畢，在四盤(pán)區(qū)上方形成采空區(qū)和遺留煤柱，采空區(qū)和遺留煤柱在底板分別形成一定范圍的卸壓區(qū)和應(yīng)力增高區(qū)，如圖6所示。隨著四盤(pán)區(qū)煤層回采結(jié)束，將會(huì)形成采空區(qū)重疊、煤柱重疊情況，四盤(pán)區(qū)煤層區(qū)段煤柱不可避免地布置在上部已采煤層形成的應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)。

圖6 煤柱底板應(yīng)力分布

對(duì)于近距離煤層開(kāi)采，在確定下煤層區(qū)段煤柱合理寬度時(shí)，有必要探討上部已采煤層遺留煤柱或采空區(qū)底板應(yīng)力分布的影響，因此，在下煤層區(qū)段煤柱寬度計(jì)算過(guò)程中，提出近距離煤層開(kāi)采影響系數(shù)α，按公式(6)計(jì)算：

(6)

式中：σz為上煤層遺留煤柱(采空區(qū))底板在該處的垂直應(yīng)力值，Pa；γ為下煤層上覆巖層平均容重，N/m3；Hd為下煤層埋深，m.

圖7 煤柱彈塑性變形區(qū)

針對(duì)近距離層開(kāi)采條件下，下煤層應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度理論計(jì)算修正公式為：

(7)

3.2 區(qū)段煤柱合理寬度確定

對(duì)于四盤(pán)區(qū)段煤柱的確定，需考慮三盤(pán)區(qū)開(kāi)采的影響，四盤(pán)區(qū)工作面平均埋深200 m，與三盤(pán)區(qū)煤層間距為10 m.受三盤(pán)區(qū)煤層遺留煤柱影響，在底板10 m附近處的應(yīng)力值為5.35 MPa，帶入公式(6)求得，三盤(pán)區(qū)煤層遺留煤柱影響系數(shù)α為1.13.

對(duì)于四盤(pán)區(qū)煤層，η取0.749，σc取13.8 MPa，m取3.1 m，A取0.9，C0取1.2 MPa，φ0取26°，Px取0.6 MPa，α取1.13，將參數(shù)帶入公式(5)計(jì)算可得：煤柱下45203工作面區(qū)段煤柱回采幫塑性區(qū)寬度x0取2.97 m，煤柱幫錨桿有效支護(hù)長(zhǎng)度x1為1.8 m，根據(jù)四盤(pán)區(qū)區(qū)段煤柱位于三盤(pán)區(qū)遺留煤柱下方，根據(jù)區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的基本條件，k取4，帶入公式(7)可得：四盤(pán)區(qū)區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的最小寬度B為17.17 m.

4 區(qū)段煤柱尺寸優(yōu)化數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型構(gòu)建

以該礦4盤(pán)區(qū)實(shí)際工程條件為背景，構(gòu)建數(shù)值模型尺寸為：700 m×200 m×120 m，共劃分594 562個(gè)單元，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

四盤(pán)區(qū)原有區(qū)段煤柱尺寸為24 m，由于巷道在該尺寸區(qū)段煤柱下穩(wěn)定性較好，故考慮在保證煤柱穩(wěn)定的前提下縮減煤柱尺寸。因此，分別選取區(qū)段煤柱寬度24 m、20 m、17 m、14 m時(shí)塑性破壞情況進(jìn)行模擬分析，最終確定四盤(pán)區(qū)區(qū)段煤柱最佳尺寸。

4.2 數(shù)值結(jié)果分析

不同寬度區(qū)段煤柱塑性區(qū)變化情況如圖8所示。區(qū)段煤柱在工作面回采后，受側(cè)向支承壓力影響，區(qū)段煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性區(qū)，塑性區(qū)深度隨著煤柱尺寸的縮減逐漸增大，而且區(qū)段煤柱內(nèi)部的彈性區(qū)寬度隨煤柱寬度的減小而減小。當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為24 m時(shí)，煤柱中部彈性區(qū)寬度為16.3～22.4 m，塑性區(qū)寬度為1.7～5.8 m；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為20 m時(shí)，彈性區(qū)寬度為14.6～18.5 m，塑性區(qū)寬度為2.2～6.4 m；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為17 m時(shí)，彈性區(qū)寬度為10.2～14.3 mm，塑性區(qū)寬度為2.5～6.8 m；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為14 m時(shí)，塑性區(qū)貫穿整個(gè)煤柱，區(qū)段煤柱失去支撐作用。綜合分析，四盤(pán)區(qū)區(qū)段煤柱寬度不應(yīng)小于17 m.

圖8 不同寬度區(qū)段煤柱塑性區(qū)分布圖

三盤(pán)區(qū)區(qū)段煤柱底板巖層應(yīng)力及位移分布情況如圖9所示。

圖9 區(qū)段煤柱底板巖層應(yīng)力及位移分布圖

在現(xiàn)有巷道及工作面布置下，四盤(pán)區(qū)運(yùn)輸巷位于三盤(pán)區(qū)遺留煤柱下應(yīng)力集中區(qū)域左下方，所受垂直應(yīng)力較大，為10～11 MPa.根據(jù)工作面布置方式，運(yùn)輸巷由于上工作面的布置情況，位置已經(jīng)固定。因此，通過(guò)改變輔運(yùn)巷的位置來(lái)縮減區(qū)段煤柱尺寸。由于輔運(yùn)巷處在三盤(pán)區(qū)煤層采空區(qū)下方，所受垂直應(yīng)力較小，為3～5 MPa.因此將輔運(yùn)巷向運(yùn)輸巷方向移動(dòng)6.8 m，使巷道處在5～8 MPa應(yīng)力水平下，此時(shí)巷道最大垂直位移量為18 mm，巷道穩(wěn)定性較好。因此，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知四盤(pán)區(qū)區(qū)段煤柱位于三盤(pán)區(qū)遺留煤柱下時(shí)，合理煤柱寬度為17.2 m.

綜上所述，當(dāng)四盤(pán)區(qū)區(qū)段煤柱位于三盤(pán)區(qū)遺留煤柱下時(shí)，區(qū)段煤柱合理尺寸為17.2 m，這一結(jié)果與理論計(jì)算得到的17.17 m區(qū)段煤柱寬度較為接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的可靠性，最終確定合理區(qū)段煤柱尺寸為17.2 m.由于原區(qū)段煤柱為24 m，通過(guò)煤柱尺寸優(yōu)化，區(qū)段煤柱尺寸減小6.8 m，有效提高了煤柱資源的回收率。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)分布不同煤柱寬度的支撐應(yīng)力分布特征，在工作面煤柱兩側(cè)采空條件下，煤柱寬度越小，煤柱所受載荷越集中，峰值應(yīng)力向內(nèi)轉(zhuǎn)移，中部彈性核范圍減小，塑性區(qū)寬度隨之增大。

2) 通過(guò)構(gòu)建區(qū)段煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型，給出了下煤層應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度確定的理論修正計(jì)算式，可得到區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的最小寬度為17.17 m.

3) 通過(guò)數(shù)值模擬分析，區(qū)段煤柱兩側(cè)產(chǎn)生的塑性區(qū)，其深度隨著煤柱尺寸的縮減逐漸增大，四盤(pán)區(qū)區(qū)段煤柱寬度不應(yīng)小于17 m.研究提出將輔運(yùn)巷向運(yùn)輸巷方向移動(dòng)6.8 m，此時(shí)巷道所受應(yīng)力為5～8 MPa，最大垂直位移為18 mm，由此確定合理煤柱寬度為17.2 m.區(qū)段煤柱尺寸減小6.8 m，有效提高了煤柱資源的回收率。