孤島工作面防水煤柱留設(shè)寬度模擬分析及工程應(yīng)用

于振子,李 昂 ,韓泰然 ,張 波

(1.中國平煤神馬控股集團(tuán)有限公司,河南 平頂山 467099; 2.煉焦煤資源綠色開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 平頂山 467099; 3.西安科技大學(xué),陜西 西安 710054)

遺留煤柱往往形成孤島工作面,開采面臨著諸多難題,如相鄰已采面形成的側(cè)向老空積水極易突破面間煤柱塑性破壞區(qū)引起水患,增大采面涌水量;面間煤柱寬度留設(shè)不足造成回采巷道兩幫及頂?shù)装遄冃螄?yán)重,巷道維護(hù)難等。因此,孤島工作面間煤柱留設(shè)寬度合理性是回采巷道開鑿前亟待解決的難題。國內(nèi)外學(xué)者針對防水煤柱寬度開展了大量的工作并取得了豐富的理論成果和實(shí)踐方法[1-3],其中最典型的研究方法有理論分析、基于相似材料的物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析等[4-12]。施龍青等[13]根據(jù)工作面煤層上方垂直應(yīng)力分布及傳播特征建立斷層防水煤柱力學(xué)模型,推導(dǎo)出防水煤柱計(jì)算公式,并通過孫村和小云煤礦驗(yàn)證了計(jì)算公式的合理性;師維剛等[14-15]根據(jù)煤柱物理狀態(tài)將煤柱分為塑性區(qū)、水壓破壞區(qū)和彈性核區(qū)(有效隔水區(qū)寬度),并建立力學(xué)模型對各分段寬度進(jìn)行了求解;許延春等[16-18]對閉坑礦井與相鄰生產(chǎn)礦井之間煤柱的安全性展開研究,通過模擬兩礦井相鄰工作面之間煤柱的塑性區(qū)貫通情況對煤柱安全性進(jìn)行了分析;段軍等[19-20]人采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析不同煤柱寬度時(shí)垂直應(yīng)力的演化規(guī)律,進(jìn)而得到合理的掘巷煤柱寬度;王睿等[21-23]針對厚松散層下防水煤柱的留設(shè)問題,提出了“保護(hù)層透水系數(shù)”概念,用于判斷保護(hù)層厚度是否需要加大,同時(shí)采用FLAC3D模擬軟件中流固耦合模型進(jìn)行了水壓和礦山壓力作用下煤柱的破壞研究,實(shí)現(xiàn)了煤柱的合理留設(shè);劉耀蔚[24]以陽煤一礦沿空掘巷為工程背景,采用數(shù)值模擬與工業(yè)實(shí)踐相結(jié)合的方法,得出沿空掘巷煤柱的合理寬度;任建峰等[25]采用UDEC分析了斜溝煤礦18105超長走向孤島綜采面在不同區(qū)段煤柱寬度條件下,巷道圍巖在掘進(jìn)期和回采期的應(yīng)力分布和位移特征。但由于不同煤礦地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、含水層分布和斷層性質(zhì)存在諸多差異性,并不能依據(jù)單一的方法和理論公式確定防水煤柱的寬度。

1 礦井及工作面水文地質(zhì)條件

平煤二礦地理位置優(yōu)越,位于河南省平頂山市新華區(qū),只距離城市中心1 km,礦井位于沙河和汝河之間的平頂山煤田,四周均有凹陷區(qū),包括西北的寶郟凹陷,東北的襄臨凹陷和南邊的魯葉凹陷。平頂山煤田的主體構(gòu)造是李口復(fù)式向斜構(gòu)造,呈NW-SE走向,由高角度正斷層和斷塊隆起環(huán)繞,形成了一個相對獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。而平煤二礦則是李口向斜構(gòu)造南翼的水文地質(zhì)亞區(qū),鍋底山斷層?xùn)|部水文地質(zhì)單元的一部分。該區(qū)域煤層開采主要的含水層是寒武系灰?guī)r的巖溶裂隙含水層,它屬于巖溶裂隙的弱至強(qiáng)富水含水層。煤層頂部的砂巖孔隙裂隙含水層被確認(rèn)為弱富水含水層,而煤層底部的石炭系寒武系灰?guī)r巖溶裂隙含水層則是弱至中等的富水含水層。5號煤層的主要水源來自于頂部的砂巖孔隙裂隙含水層,砂巖含水層孔隙裂隙不是很發(fā)達(dá),補(bǔ)給條件較差,因此其富水性較弱,采空區(qū)積水主要來自于該層。

平煤二礦5號03孤島工作面東側(cè)為02工作面采空區(qū)、西側(cè)為04工作面采空區(qū),計(jì)劃留設(shè)25 m防水煤柱,02、04工作面開采寬度分別為100 m和150 m,已于10年前回采完畢。03孤島采面采寬100 m,頂板由較堅(jiān)硬的中細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖、粉砂巖和粗粒砂巖構(gòu)成,中間夾薄層4煤,采面底板為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粉砂巖、石灰?guī)r等組成,煤層埋深315～362 m,平均341 m,煤層厚度變化較小,平均2.6 m,傾角小于8°,03采面回采巷道采用錨網(wǎng)支護(hù)形式,幫部加固范圍2 m,工作面長壁綜采采煤,全部垮落法控制頂板。

2 煤柱寬度理論分析

煤柱寬度通過煤柱載荷估算法[11-16]計(jì)算得出,煤柱所承受的載荷由采空區(qū)上覆巖層載荷及煤柱上方巖層載荷組成,煤柱寬度可由式(1)—式(3)計(jì)算得出。

(1)

煤柱極限載荷計(jì)算公式(單位面積):

(2)

煤柱極限強(qiáng)度計(jì)算公式:

(3)

式中,B為煤柱寬度;D為煤柱側(cè)開采寬度,取100 m;H為埋深,取338.5 m;δ為上覆巖層垮落角,按經(jīng)驗(yàn)值取28°;Rc為煤單軸抗壓強(qiáng)度,取24.5 MPa;h為上覆巖層裂隙帶高度,取33 m;γ為平均容重,取24.6 kN/m3。

代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算可得B≥24 m。

3 孤島煤柱留設(shè)合理性數(shù)值分析

本文應(yīng)用FLAC3D有限差分析軟件模擬5號03孤島工作面煤柱留設(shè)15 m和25 m兩種工況下圍巖變形規(guī)律和煤柱彈塑性區(qū)進(jìn)行對比分析[5-10]。

3.1 建立數(shù)值模型

根據(jù)二礦03孤島工作面和相鄰采面實(shí)際工程地質(zhì)條件,簡化模擬計(jì)算模型,02、03、04工作面模擬采寬為100、100、150 m,03采面兩側(cè)留設(shè)煤柱命名為A煤柱和B煤柱,留設(shè)寬度相等,為15 m或25 m?；夭上锏纼蓚?cè)煤體留有2 m支護(hù)區(qū)。02、03采面為傳統(tǒng)架棚支護(hù),工作面邊回采邊撤棚,故由于02、03采面回采幫部無加強(qiáng)支護(hù)。

2種工況(工況1:15 m煤柱寬度;工況2:25 m煤柱寬度)的數(shù)值模型高度為130 m、寬度530 m,按照巖性相近的煤巖體歸為一類巖性進(jìn)行簡化處理,分為20層結(jié)構(gòu),解決鉆孔巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),模型所選材料按從上向下進(jìn)行排序,數(shù)值模型巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。工況1和工況2采用分步開挖方式來模擬孤島工作面在巷道掘進(jìn)和03工作面回采期間受到的相鄰采空區(qū)的影響情況,具體的數(shù)值計(jì)算模型如圖1和圖2所示。

圖1 15 m煤柱寬度下巖層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型(工況1)Fig.1 Numerical model diagram of rock structure under 15 m coal pillar width(working condition 1)

圖2 25 m煤柱寬度下巖層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型(工況2)Fig.2 Numerical model diagram of rock structure under 25 m coal pillar width(working condition 2)

表1 數(shù)值模型巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Rock mechanics parameters for numerical model

模擬煤層埋深約340 m,2種工況開挖和支護(hù)方式:第1步先開回采100 m傾長的02工作面和150 m傾長的04工作面;第2步開鑿03采面兩側(cè)回采巷道,且留設(shè)15 m和25 m區(qū)段煤柱;第3步回采100 m傾長的03孤島工作面。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文模擬的重點(diǎn)在于監(jiān)測02、04工作面回采前后A煤柱和B煤柱塑性區(qū)寬度、位移場和應(yīng)力場;回采巷道圍巖頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟?、塑性區(qū)寬度、位移場和應(yīng)力場;03工作面回采后圍巖煤柱塑性范圍的演化深度及位移和應(yīng)力變化特征。

3.2.1 02和04面回采后圍巖應(yīng)力、位移和塑性規(guī)律分析

總體來看,工況1和工況2在未開采03工作面和回采巷道前,圍巖應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)變化形態(tài)并無差別。

(1)隨著02和04工作面回采,頂板不斷下沉、底板隆起,當(dāng)頂?shù)装鍛?yīng)力全部釋放,頂板下沉貼底,此時(shí)在工作面頂部形成拱形應(yīng)力環(huán),04工作面長度大于02工作面,所形成拱形應(yīng)力環(huán)高度較高,圖中綠黃色較淺,也說明長采面頂板應(yīng)力釋放更加充分;在工作面兩側(cè)煤幫處由于頂板無法完全接觸底板而形成該位置頂?shù)装鍛?yīng)力卸載區(qū),而采面兩側(cè)煤體受到支承壓力作用,支承壓力峰值向煤體內(nèi)部移動,兩個工作面支承壓力峰值系數(shù)為1.8～2.0。

(2)開采長度為150 m的04工作面頂板冒落高度及波及的深度遠(yuǎn)大于02工作面,04面波及已到模型底部的中粒砂巖和細(xì)砂巖,采空區(qū)中部對應(yīng)的模型頂部沉降量達(dá)到1.72 m,而02面僅有1.53 m;另外04面采空區(qū)中部頂部下沉量達(dá)到2.48 m,而02面為2.15 m,相比之下02面采空區(qū)中部底板隆起量率大于04面。

(3)02面和04面沿走向方向的頂板破壞區(qū)域主要集中兩側(cè)頂部,表現(xiàn)出拉剪切破壞形式,采空區(qū)頂?shù)装鍎t以拉伸破壞為主,2個采面頂板塑性區(qū)均發(fā)育到粗粒砂巖層位,冒落高度達(dá)到33 m;工作面兩側(cè)煤體塑性破壞區(qū)深度達(dá)到10～11 m,破壞深度較大與巷旁采用架棚支護(hù)有關(guān)。

3.2.2 03面兩側(cè)回采巷道開挖后圍巖應(yīng)力、位移和塑性規(guī)律分析

如圖3—圖5所示,分別為03面兩側(cè)回采巷道開挖后圍巖應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)變化規(guī)律?？傮w來看,工況1和工況2在03工作面回采巷道開鑿后由于受到留設(shè)煤柱寬度大小的影響而表現(xiàn)出不同的變化形態(tài)。

圖3 03面兩側(cè)回采巷道開挖后圍巖應(yīng)力場模擬Fig.3 Simulation of the stress field of surrounding rock after excavation of mining tunnels on both sides of the 03 face

圖3表明,隨著03工作面回采巷道采掘,頂?shù)装寰憩F(xiàn)出明顯的應(yīng)力變化,巷道直接頂?shù)装逡岳瓚?yīng)力為主;但所留設(shè)的A、B煤柱受到02和04采空區(qū)及回采巷道開挖雙重影響,形成了明顯的支承壓力升高區(qū),15 m煤柱對應(yīng)的頂板形成了一個較大的拱形壓力區(qū),相比之下25 m煤柱由于留設(shè)寬度較大,并未形成明顯的支承壓力升高區(qū),這也使得工況2回采巷道維護(hù)成本小于工況1;從圖4中也可以看出,2種工況下回采巷道頂?shù)装遄冃瘟看嬖诓町?工況2的頂板下沉量和底板隆起量較小;從圖5中可看出:對于工況1而言,回采巷道頂板和底板的塑性破壞深度不大,僅波及到了直接頂?shù)装?這與基本頂?shù)装鍘r性較好有關(guān);回采巷道兩側(cè)雖然有2 m的錨桿支護(hù)區(qū),但靠近03采面一側(cè)的巷旁煤體塑性破壞范圍達(dá)到2～3 m,這與現(xiàn)場實(shí)際情況相符。

圖4 03面兩側(cè)回采巷道開挖后圍巖位移場模擬Fig.4 Simulation of the displacement field of surrounding rock after excavation of mining tunnels on both sides of the 03 face

圖5 03面兩側(cè)回采巷道開挖后圍巖塑性區(qū)模擬(工況2)Fig.5 Simulation of the plastic zone of surrounding rock after excavation of mining tunnels on both sides of the 03 face

3.2.3 03面回采后圍巖應(yīng)力、位移和塑性規(guī)律分析

03面回采后圍巖應(yīng)力場、位移場和塑性區(qū)變化規(guī)律如圖6—圖8所示。

圖6 03面回采后圍巖應(yīng)力場模擬Fig.6 Simulation of stress field of the surrounding rock after coal winning of the 03 face

從圖6中可以看出,03工作面回采后A、B煤柱的應(yīng)力場形態(tài)差別較明顯,對留設(shè)15 m留設(shè)A、B煤柱頂?shù)装逍纬奢^顯著的等值應(yīng)力圈,而25 m煤柱中部頂?shù)装鍛?yīng)力變化較小,這部分屬于彈性核區(qū)范圍,工況1下煤柱內(nèi)部形成的支承壓力峰值區(qū)域幾乎形成一體,峰值壓力較大25 m煤柱大。

從圖7位移場變化中查以看出,小煤柱的工況1下03面采空區(qū)頂板下沉量大于25 m煤柱,這與A、B煤柱被較大的礦山壓力壓裂導(dǎo)致煤柱沉降量較大有關(guān)。

圖7 03面回采后圍巖位移場模擬Fig.7 Simulation of displacement field of the surrounding rock after coal winning on the 03 face

從圖8塑性區(qū)模擬中可以看出,工況1中的A、B煤柱頂部破壞深度和破壞影響范圍大于寬煤柱的工況2,這與小煤柱內(nèi)部較大的支承壓力關(guān)系密切;另外,工況1條件下的A、B煤柱均呈現(xiàn)出塑性破壞區(qū),內(nèi)部無彈性核區(qū),而工況2的煤柱內(nèi)部存在2～5 m寬度的彈性核區(qū),這有利于03工作面采空區(qū)兩側(cè)煤柱仍可抵抗來自02、04面老空水的威脅,工況2的工作面排水量小于工況1,模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,在03孤島面的采掘過程中,預(yù)留出的25 m防水煤柱都能有效保留一定厚度的彈性煤柱核區(qū),能有效阻止鄰近的開采空區(qū)的水侵入到采礦作業(yè)區(qū)域。

圖8 03面回采后圍巖塑性區(qū)模擬Fig.8 Simulation of the plastic zone of the surrounding rock after coal winning of the 03 face

4 現(xiàn)場實(shí)測

4.1 檢測儀器與設(shè)備

現(xiàn)場煤柱內(nèi)部塑性區(qū)深度監(jiān)測采用RSM-SY7智能聲速測試儀,它是由計(jì)算機(jī)、高壓發(fā)射與控制、程控放大與衰減、A/D轉(zhuǎn)換與采集四大部分組成的一體化設(shè)備。

4.2 檢測結(jié)果與分析

依據(jù)理論和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,03孤島面開采與相鄰采空區(qū)之間最終留設(shè)25 m防水煤柱,鉆探施工隊(duì)對03工作面回采巷道防水煤柱進(jìn)行鉆孔專業(yè),現(xiàn)場施工監(jiān)測鉆孔4個,并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

03采面不同深度鉆孔圍巖內(nèi)部聲波波速如圖9所示,4個鉆孔的聲波波速—孔深曲線圖特征基本一致,且其變化規(guī)律按照離孔口距離的不同可分為3個區(qū)域。①第1段區(qū)域?yàn)?～2.6 m,該區(qū)間4個鉆孔內(nèi)的波速都隨著深度的增加呈線性增加,表明該處的巖層都受到了不同程度的破損,且離孔口越近,破損越嚴(yán)重,按照防水煤柱的基本理論可知,該區(qū)間的煤巖已基本失去承載能力,該區(qū)間的寬度即為屈服區(qū)寬度;②第2段區(qū)域?yàn)?.6～6.0 m,該區(qū)間4個鉆孔內(nèi)的波速都隨著深度的增加而呈拋物線形,但其速度變化區(qū)間較小,這種情況是由該區(qū)間的煤巖壓力變化造成的;③第3段區(qū)域,當(dāng)深度超過6 m時(shí),4個鉆孔內(nèi)的波速隨著深度的增加而保持不變,表明該區(qū)域煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)保持不變,煤巖未受損害,按照防水煤柱的基本理論可知,該區(qū)域即為彈性核區(qū)。

圖9 03采面不同深度鉆孔圍巖內(nèi)部聲波波速Fig.9 Acoustic wave velocity inside the surrounding rock of the drill hole at different depths of the 03 mining face

由以上分析可以看出,03工作面在回采前的巷道巷旁煤柱內(nèi)的屈服區(qū)寬度約為2.6 m,該結(jié)果與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果2～3 m相一致,至03工作面全部回采完畢,并未發(fā)生采空區(qū)突涌水事故,采面涌水量均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),巷道變形量小。

因此,留設(shè)的25 m煤柱滿足現(xiàn)場實(shí)際需要,可將該方法推廣至平頂山礦區(qū)乃至類似地質(zhì)條件下其他礦井。

5 結(jié)論

(1)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,留設(shè)25 m防水煤柱在巷道開鑿和孤島面回采過程中,均可留有一定厚度的彈性煤柱核區(qū),可有效抵抗相鄰采空區(qū)水浸入回采作業(yè)空間,保障煤柱長期穩(wěn)定,而留設(shè)15 m不利于煤柱體的穩(wěn)定,不宜于巷道維護(hù),增大支護(hù)難度。

(2)現(xiàn)場采用工況2的實(shí)施方案,并在回采巷道巷旁煤柱采用智能聲速煤炭工程測試儀對煤體內(nèi)部彈塑性區(qū)寬度進(jìn)行了實(shí)測,該結(jié)果與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致,屈服區(qū)寬度可控,留設(shè)的彈性核區(qū)可使回采巷道長期保持安全穩(wěn)定。