煤柱擾動(dòng)影響下巷道合理布置位置研究

晉發(fā)東

華亭煤業(yè)集團(tuán) 赤城煤礦公司, 甘肅 平?jīng)?744204)

我國地下煤礦開采中,近距離煤層分布廣泛,這類煤層回采過程中,往往在兩工作面間會(huì)留有一定厚度的區(qū)段煤柱,用以支撐頂板,維護(hù)采場的穩(wěn)定性。然而,隨著上覆煤層工作面回采結(jié)束,所留區(qū)段煤柱會(huì)將采動(dòng)應(yīng)力傳導(dǎo)至其底板巖層中,對(duì)底板巖層造成一定范圍的高應(yīng)力區(qū)及塑性破壞區(qū),當(dāng)下覆煤層工作面巷道布置在高應(yīng)力及塑性破壞區(qū)影響范圍內(nèi)時(shí),易導(dǎo)致巷道發(fā)生嚴(yán)重變形,甚至形成冒頂風(fēng)險(xiǎn)[1-3]. 為此,在近距離煤層回采中,下覆煤層工作面巷道的布置位置,對(duì)于工作面安全回采至關(guān)重要[4-6]. 李春元等[7]研究了下覆煤層開采前后上覆遺留區(qū)段煤柱對(duì)底板應(yīng)力的擾動(dòng)演化機(jī)制,分析了遺留煤柱區(qū)域下覆煤層開采擾動(dòng)寬度;趙宇德[8]對(duì)遺留煤柱穩(wěn)定性及其煤柱下應(yīng)力分布特征進(jìn)行了研究,確定了合理巷道位置;王恩博[9]分析了不同錯(cuò)距下巷道屈服破壞、應(yīng)力分布和圍巖變形規(guī)律,最終得出錯(cuò)距15 m情況下,可以保證巷道圍巖穩(wěn)定性。綜合文獻(xiàn)分析,研究主要集中于單煤柱擾動(dòng)下底板應(yīng)力演化機(jī)制及巷道布置位置,對(duì)于多煤柱擾動(dòng)下巷道合理布置位置的研究有待進(jìn)一步分析。為此,本文從煤柱底板破壞力學(xué)分析與工作面回采后底板應(yīng)力分布特征角度,研究了雙煤柱擾動(dòng)影響下巷道合理布置位置,以保證工作面安全回采。

1 工程概況

某煤礦主采6#煤層與7#煤層,其中6#煤層平均厚2.5 m,主要回采6102工作面與6104工作面,7#煤層平均厚7.2 m,主要回采7104工作面與7106工作面,工作面埋深245～265 m,煤層傾角4°～12°,平均傾角8°,兩煤層平均間距19.5 m,屬于典型的緩傾斜近距離煤層,采用綜采下行式開采工藝,全部垮落法管理頂板?；夭身樞?yàn)?7104工作面→6102工作面→6104工作面→7106工作面,煤巖體綜合柱狀圖見圖1.

6102工作面及7104工作面基本回采完畢,兩工作面間留有20 m厚保護(hù)煤柱,目前主要回采6104工作面與7106工作面,兩工作面間留有30 m厚保護(hù)煤柱,工作面位置關(guān)系見圖2. 可以發(fā)現(xiàn),7#煤層7106皮帶巷道距區(qū)段煤柱水平距離為2 m,隨著回采工作推進(jìn),受采動(dòng)應(yīng)力影響,7106工作面上平巷及下平巷變形嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為頂板下沉及兩幫變形,對(duì)工作面安全回采構(gòu)成了威脅。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

2 煤柱擾動(dòng)下底板破壞范圍分析

對(duì)于近距離煤層而言,上覆煤層煤柱兩側(cè)采空區(qū)的存在,會(huì)將其上覆巖層應(yīng)力傳導(dǎo)至煤柱中,此時(shí)煤柱將所受應(yīng)力轉(zhuǎn)移至底板巖層中,在底板巖層會(huì)出現(xiàn)3個(gè)區(qū)域,即煤柱正下方應(yīng)力集中區(qū)、邊側(cè)的滑動(dòng)塑性區(qū)及深部塑性區(qū)。當(dāng)塑性區(qū)深度超過下覆煤層時(shí),如果將巷道布置在底板塑性區(qū)影響范圍內(nèi),將會(huì)造成下覆煤層巷道頂板下沉甚至冒落,以及巷道兩幫變形嚴(yán)重。針對(duì)該礦工作面回采條件,構(gòu)建底板破壞力學(xué)模型,見圖3.

根據(jù)圖3關(guān)系,煤柱擾動(dòng)影響下底板最大塑性區(qū)深度表達(dá)式如下[10]:

圖2 工作面位置關(guān)系圖

圖3 底板破壞力學(xué)模型圖

(1)

式中:d為煤柱寬度,m;φ為底板巖層內(nèi)摩擦角,(°).

對(duì)于底板剪切破壞條件,塑性區(qū)最大水平長度計(jì)算式如下:

(2)

通過上述公式可以看出,對(duì)于底板巖層的最大塑性區(qū)深度及長度主要受上覆煤層所留煤柱寬度及底板巖層內(nèi)摩擦角的影響。

該礦底板巖層內(nèi)摩擦角為40°,位于采空區(qū)側(cè)7 m范圍的煤柱已經(jīng)整體發(fā)生塑性破壞,不具備應(yīng)力承載條件。1#煤柱與2#煤柱實(shí)際承載寬度分為13 m與23 m,將相關(guān)參數(shù)分別代入式(1)與式(2),得出1#煤柱底板最大塑性區(qū)深度為30.9 m,塑性區(qū)最大水平長度為104 m;2#煤柱底板最大塑性區(qū)深度為54.6 m,塑性區(qū)最大水平長度為184 m. 由于兩煤層間距為19.5 m,可以看出上覆煤層遺留的1#煤柱與2#煤柱對(duì)底板塑性區(qū)影響范圍已超過兩煤層間距,下覆煤層7106工作面兩個(gè)巷道均位于上區(qū)段煤柱應(yīng)力擾動(dòng)范圍內(nèi),巷道易遭受沖擊擾動(dòng)影響。

3 工作面回采數(shù)值模擬分析

為掌握隨工作面推進(jìn),底板巖層塑性區(qū)發(fā)展及應(yīng)力演化特征,采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析。根據(jù)礦山實(shí)際工程地質(zhì)條件,采用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行建模,模型底部固定,四周約束水平位移,頂部施加垂直載荷等效于上覆巖層容重,煤巖體力學(xué)參數(shù)見表1.

7104工作面及6102工作面回采后,上覆煤層底板應(yīng)力及塑性區(qū)分布情況見圖4. 由圖4可以看出,兩工作面回采后,煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中顯現(xiàn),6102采空區(qū)底板存在一個(gè)弧形卸壓區(qū)域,卸壓區(qū)內(nèi)最大垂直應(yīng)力約為4.5 MPa,小于原巖應(yīng)力6.6 MPa,煤柱內(nèi)部及其正下方底板巖層所受最大垂直應(yīng)力為8.5 MPa,高于原巖應(yīng)力。對(duì)于下覆煤層巷道布置,這是需要避開的區(qū)域。此時(shí),6102采空區(qū)上部卸壓角為42°,下部卸壓角為85°,其中a1與a2分別代表下覆煤層巷道合理錯(cuò)距值。通過塑性區(qū)發(fā)展可以看出,煤柱整體呈現(xiàn)屈服破壞狀態(tài),煤柱下方的塑性區(qū)已經(jīng)發(fā)展至7#煤層,這與理論分析及現(xiàn)場巷道發(fā)生的顯著變形情況相吻合。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

圖4 兩工作面回采后煤層底板應(yīng)力及塑性區(qū)發(fā)展情況圖

7104工作面、6102工作面及6104工作面回采后,上覆煤層底板應(yīng)力及塑性區(qū)分布情況見圖5. 由圖5可以看出,兩工作面回采后,煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中顯現(xiàn)加劇,6102采空區(qū)及6104采空區(qū)底板均存在一個(gè)弧形卸壓區(qū)域,卸壓區(qū)內(nèi)最大垂直應(yīng)力約為4.0 MPa,小于原巖應(yīng)力6.6 MPa,煤柱內(nèi)部及其正下方底板巖層所受最大垂直應(yīng)力為13.5 MPa,此時(shí)6102采空區(qū)上部卸壓角為40°,下部卸壓角為85°. 通過塑性區(qū)發(fā)展可以看出,煤柱整體仍然呈現(xiàn)屈服破壞狀態(tài),除了煤柱下方的塑性區(qū)發(fā)展至7#煤層外,6104采空區(qū)底板塑性區(qū)也發(fā)展至7#煤層,需對(duì)塑性區(qū)影響范圍內(nèi)巷道頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

圖5 三工作面回采后煤層底板應(yīng)力及塑性區(qū)發(fā)展情況圖

4 煤柱擾動(dòng)下巷道位置布置方法

基于數(shù)值分析結(jié)果,在煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)下,在7#煤層7106工作面下方存在一定的高應(yīng)力區(qū),應(yīng)力最高可達(dá)13.5 MPa,同時(shí)塑性區(qū)發(fā)展已經(jīng)達(dá)到7#煤層,需對(duì)7#煤層7106工作面兩個(gè)平巷進(jìn)行位置優(yōu)化,確定合理的巷道錯(cuò)距,將巷道布置在底板卸壓區(qū)內(nèi)。上平巷合理水平錯(cuò)距a1可由下式計(jì)算:

(3)

式中:d1為兩煤層間距,m;d2為下覆煤層厚度,m;α為上平巷卸壓角,(°);β為煤層傾角,(°).

7106工作面下平巷合理水平錯(cuò)距a2可由下式計(jì)算:

(4)

式中:α1為下平巷卸壓角,(°).

該礦7#煤層傾角為8°,兩煤層間距為19.5 m,煤層厚度為7.2 m,上平巷卸壓角取平均值為41°,下平巷卸壓角為85°,將相關(guān)參數(shù)帶入式(3)與式(4),計(jì)算得到上平巷合理水平錯(cuò)距為23 m,下平巷合理水平錯(cuò)距為6 m.

綜合分析,對(duì)于7106工作面,新掘上平巷與下平巷兩條巷道,其中新掘上平巷應(yīng)布置在距1#煤柱23 m位置,新掘下平巷應(yīng)布置在距2#煤柱6 m位置,由此可避開煤柱應(yīng)力擾動(dòng)影響,保障巷道的穩(wěn)定性。巷道布置方式見圖6.

圖6 7106工作面巷道合理布置方式圖

為進(jìn)一步保障優(yōu)化后巷道的穩(wěn)定性,還需采取如下防護(hù)措施:

1) 由于原7106皮帶巷變形嚴(yán)重,出現(xiàn)了冒頂情況,為此將該巷道用作卸壓巷,以減小采動(dòng)應(yīng)力對(duì)新掘下平巷的沖擊影響。

2) 由于煤柱邊幫出現(xiàn)塑性破壞,為避免煤柱失去支撐作用,還應(yīng)采取鉆孔卸壓方法,鉆孔直徑120 mm,孔深15～20 mm,保障煤巷留有10～15 m厚的卸壓保護(hù)區(qū)。

3) 采用“高強(qiáng)度錨桿索+W型鋼帶”對(duì)巷道加強(qiáng)支護(hù),進(jìn)一步保證巷道的穩(wěn)定性。

4) 對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行定期位移及應(yīng)力監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)預(yù)警,保證工作面回采安全。

5 結(jié) 論

1) 通過理論計(jì)算分析,1#煤柱與2#煤柱底板塑性區(qū)最大深度分別為30.9 m與54.6 m,超過了兩煤層間距19.5 m,7106工作面兩個(gè)平巷均位于上區(qū)段煤柱應(yīng)力擾動(dòng)范圍內(nèi),巷道易遭受沖擊擾動(dòng)影響。

2) 通過數(shù)值模擬分析可知,工作面回采后,煤柱所有應(yīng)力集中顯現(xiàn),煤柱整體呈現(xiàn)屈服破壞狀態(tài),位于煤柱下方7#煤層所有應(yīng)力最高可達(dá)13.5 MPa,超過了原巖應(yīng)力;采空區(qū)底板巖層存在弧形卸壓區(qū),下覆煤層巷道應(yīng)布置在該區(qū)域內(nèi),可避免煤柱擾動(dòng)應(yīng)力沖擊影響。

3) 提出將7106工作面上平巷布置在距1#煤柱23 m處,下平巷布置在距2#煤柱6 m處的巷道合理布置位置,輔以煤壁鉆孔卸壓、巷道“高強(qiáng)度錨桿索+W型鋼帶”加強(qiáng)支護(hù)與巷道變形定期監(jiān)測(cè)措施,可保證巷道的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)工作面安全回采。