淺埋近距離煤層下區(qū)段煤柱尺寸動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法研究

閆 鑫

（晉能控股集團(tuán)翼城華泓煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 043500）

0 引 言

我國(guó)近距離煤層分布廣泛[1,2]，開(kāi)采中為了避免上伏煤層遺留煤柱對(duì)下伏煤層回采巷道造成應(yīng)力擾動(dòng)影響，下煤層往往留設(shè)較大的區(qū)段煤柱[3,4]，導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)重，確定合理的煤柱尺寸對(duì)于有效回收煤柱資源及保證巷道的穩(wěn)定至關(guān)重要。在這方面研究中，王泓博等[5]指出區(qū)段煤柱寬度、埋深、煤柱邊緣至峰值區(qū)的距離及其垂直應(yīng)力峰值控制著應(yīng)力增高區(qū)的發(fā)育，確定煤柱- 巷道錯(cuò)距10～15 m 為優(yōu)選區(qū)間；劉超等[6]針對(duì)近距離煤層開(kāi)采過(guò)程中下位煤層回采巷道受上位煤層開(kāi)采影響煤柱應(yīng)力集中、巷道支護(hù)困難等問(wèn)題，提出了一種內(nèi)外錯(cuò)相結(jié)合的回采巷道布置方式；王貴平[7]采用UDEC2D數(shù)值軟件，得出了近距離采空區(qū)下巷道圍巖應(yīng)力和破壞場(chǎng)分布隨煤柱寬度的變化規(guī)律，計(jì)算得出近距離煤層采空區(qū)綜采工作面煤柱寬度為14.23 m；李俊星[8]采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，分析了3 種煤柱寬度條件下回采巷道圍巖應(yīng)力情況，最后確定現(xiàn)場(chǎng)留設(shè)煤柱寬度為6 m。綜合文獻(xiàn)分析，對(duì)于近距離煤層下區(qū)段煤柱尺寸的確定主要集中在煤柱與巷道錯(cuò)距及煤柱尺寸優(yōu)化方面，對(duì)于上區(qū)段煤柱與采空區(qū)影響下煤柱尺寸動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法提及較少，有待進(jìn)一步研究。針對(duì)鑫達(dá)礦近距離煤層回采過(guò)程中存在的煤柱尺寸留設(shè)不合理導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問(wèn)題，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，分析了近距離煤層回采擾動(dòng)下區(qū)段煤柱尺寸動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，有效釋放了煤柱資源，實(shí)現(xiàn)了近距離煤層資源的安全高效開(kāi)采。

1 工程概況

鑫達(dá)礦四盤(pán)區(qū)45203 工作面主采5-2 煤層，煤層傾角1°～3°，厚度2.78～4.1 m，煤層中下部含夾矸，巖性為褐黃色泥巖，厚度0.06～0.12 m；工作面正上方為三盤(pán)區(qū)35104 采空區(qū)，北鄰45202 工作面采空區(qū)，煤層埋深108.7～212.9 m，回采范圍內(nèi)兩盤(pán)區(qū)煤層平均間距為11 m。煤巖體綜合柱狀圖見(jiàn)圖1，工作面布置情況見(jiàn)圖2。工作面回采過(guò)程中工作面間普遍留設(shè)24 m 厚煤柱，在保證工作面回采安全的同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)煤柱資源回收最大化，特開(kāi)展下區(qū)段煤柱尺寸動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)攻關(guān)。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

圖2 45203 工作面布置圖

2 下伏煤層煤柱應(yīng)力分布特征

煤柱較大時(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。

圖3 煤柱較大時(shí)垂直應(yīng)力分布

煤柱較小時(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)顯著增加，煤柱在長(zhǎng)期較高的支承壓力作用下易發(fā)生塑性破壞。

圖4 煤柱較小時(shí)垂直應(yīng)力分布

由以上分析可知，隨著下伏煤層煤柱寬度的減小，將增加煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中顯現(xiàn)程度，導(dǎo)致高應(yīng)力區(qū)向煤柱內(nèi)部傳導(dǎo)，減小煤柱內(nèi)部彈性區(qū)作用范圍，降低煤柱承載能力。因此，下伏煤層煤柱塑性區(qū)寬度對(duì)煤柱穩(wěn)定性具有重要影響，單純的縮小煤柱尺寸將導(dǎo)致煤柱支撐作用失效，需要根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行重點(diǎn)分析，最終確定合理煤柱留設(shè)寬度。

3 下伏煤層區(qū)段煤柱尺寸動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法

3.1 煤柱塑性區(qū)寬度確定

煤柱尺寸合理與否對(duì)于其自身承載能力、巷道的穩(wěn)定都會(huì)產(chǎn)生一定影響，而保持煤柱穩(wěn)定的必要前提就是在煤柱中要存在一定寬度的彈性核區(qū)，為此保持煤柱穩(wěn)定的最小寬度表達(dá)式如下：

式中：m為煤層厚度，m；x'0為應(yīng)力極限平衡區(qū)塑性區(qū)寬度，m；x1為巷幫支護(hù)長(zhǎng)度，m；k為應(yīng)力集中系數(shù)。

假定煤柱首先從邊緣發(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，建立如圖5 所示煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型[9]。

圖5 煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型

根據(jù)圖4 可知，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，可得煤層界面應(yīng)力表達(dá)式為：

式中：Px 為錨桿支護(hù)強(qiáng)度，MPa；A為側(cè)壓系數(shù)；γ為覆巖平均容重，kN/m3；σyl為煤柱極限載荷，MPa；C0為內(nèi)聚力，MPa；φ0為內(nèi)摩擦角，°。

應(yīng)力極限平衡區(qū)的塑性區(qū)寬度x0的計(jì)算式如下：

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，基于Irwin 塑性約束系數(shù)，煤體塑性約束系數(shù)表達(dá)式為[6]：

式中：η為流變系數(shù)；σc為煤柱抗壓強(qiáng)度，MPa。

故煤柱極限抗壓強(qiáng)度為：

將式（5）帶入式（3）可得，應(yīng)力極限平衡區(qū)的塑性區(qū)寬度x0為：

對(duì)于多煤層開(kāi)采，在確定下煤層區(qū)段煤柱穩(wěn)定寬度時(shí)，應(yīng)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，提出多煤層開(kāi)采影響系數(shù)α，按下式計(jì)算：

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；Hd為下伏煤層深度值，m。

α取值與開(kāi)采煤層數(shù)有關(guān)，當(dāng)兩層煤開(kāi)采時(shí)，下煤層區(qū)段煤柱位于上煤層底板卸壓區(qū)時(shí)，α=1；位于上煤層底板應(yīng)力增高區(qū)時(shí)，α=1～3。此時(shí)煤柱塑性區(qū)寬度為x'0，如圖6 所示。

圖6 煤柱塑性區(qū)寬度分布圖

針對(duì)多煤層開(kāi)采條件下，煤柱塑性區(qū)寬度理論計(jì)算修正公式為：

四盤(pán)區(qū)工作面平均埋深200 m，兩煤層間距為11 m。受上區(qū)段遺留煤柱影響，在底板處的應(yīng)力值為5.2 MPa，帶入式（7）計(jì)算得到三盤(pán)區(qū)煤層遺留煤柱影響系數(shù)α=1.13。

對(duì)于現(xiàn)采四盤(pán)區(qū)煤層，η=0.75，σc=13.7 MPa，m=3.1m，A=0.9，C0=1.2 MPa，φ0=26°，Px=0.6 MPa，α=1.13，帶入式（8）計(jì)算可得x'0=2.97 m。當(dāng)四盤(pán)區(qū)煤柱位于三盤(pán)區(qū)遺留煤柱下方時(shí)，下區(qū)段煤柱位于高應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)，此時(shí)k= 3.5，x1= 2.7 m，帶入式（1）得到此時(shí)煤柱最小穩(wěn)定寬度為17.45 m；當(dāng)四盤(pán)區(qū)煤柱位于三盤(pán)區(qū)采空區(qū)下方時(shí)，下區(qū)段煤柱所受應(yīng)力有所降低，此時(shí)k= 2.9，x1= 2.7 m，帶入式（1）得到此時(shí)煤柱最小穩(wěn)定寬度為14.66 m。

3.2 煤柱尺寸優(yōu)化數(shù)值模擬分析

3.2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

通過(guò)建立FLAC3D計(jì)算模型，對(duì)下伏煤層煤柱合理尺寸優(yōu)化展開(kāi)研究，為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，在確定煤柱最佳尺寸時(shí)將區(qū)段煤柱及周?chē)W(wǎng)格化分為0.5m×0.5 m 的小塊體，構(gòu)建數(shù)值模型尺寸為：600m×250m×150m，共劃分635932 個(gè)單元，模型底部及四周進(jìn)行位移約束，上部施加載荷等效上覆巖層自重，巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2.2 數(shù)值結(jié)果分析

1）當(dāng)四盤(pán)區(qū)區(qū)段煤柱位于三盤(pán)區(qū)遺留煤柱下方。由圖7 模擬結(jié)果可知，下伏煤層的四盤(pán)區(qū)運(yùn)輸巷處于上區(qū)段遺留煤柱高應(yīng)力影響的邊界位置，該位置的垂直應(yīng)力達(dá)10～11 MPa，巷道已掘進(jìn)完成無(wú)法改變，可對(duì)下區(qū)段四盤(pán)區(qū)運(yùn)巷的位置進(jìn)行調(diào)整，將其布置在上區(qū)段煤柱低應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)邊界位置（圖7a），該處所受垂直應(yīng)力為3～5 MPa，巷道最大垂直位移量?jī)H為16 mm，此時(shí)所留煤柱寬度為17.5 m，與理論計(jì)算結(jié)果比較吻合。

2）當(dāng)四盤(pán)區(qū)區(qū)段煤柱位于三盤(pán)區(qū)采空區(qū)下方。根據(jù)圖8 所示數(shù)值模擬結(jié)果可知，四盤(pán)區(qū)輔運(yùn)巷位于三盤(pán)區(qū)采空區(qū)下方，所受垂直應(yīng)力和垂直位移量均很小，若兩巷道和區(qū)段煤柱均布置于此應(yīng)力水平下，完全可以滿(mǎn)足煤礦安全生產(chǎn)的需要。采空區(qū)下垂直應(yīng)力約0.5 MPa，而在遺留煤柱下垂直應(yīng)力可達(dá)到7～13 MPa。因此考慮將四盤(pán)區(qū)工作面巷道和區(qū)段煤柱均置于三盤(pán)區(qū)采空區(qū)下方以保證巷道和區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性。當(dāng)區(qū)段煤柱上方為實(shí)體巖層時(shí)，區(qū)段煤柱合理尺寸為15 m 時(shí)，可以保持區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性，與理論計(jì)算結(jié)果比較吻合。

圖8 煤柱下和采空區(qū)下應(yīng)力分布圖

綜合分析，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17.5 m，若將區(qū)段煤柱布置于采空區(qū)下，區(qū)段煤柱合理尺寸為15 m。

4 煤柱優(yōu)化后四盤(pán)區(qū)巷道支護(hù)方法

對(duì)下區(qū)段四盤(pán)區(qū)煤柱尺寸優(yōu)化后，為進(jìn)一步保證調(diào)整后四盤(pán)區(qū)輔運(yùn)巷的穩(wěn)定，還需對(duì)四盤(pán)區(qū)輔運(yùn)巷實(shí)施有效支護(hù)，其中巷道采用φ22 mm×2 700 mm 高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2.7 m，間排距為0.75 m×0.75 m，巷道中部錨桿垂直頂板及兩幫布置，巷道邊側(cè)錨桿與巷道頂板及兩幫呈45°夾角。頂錨索采用φ18.9 mm×8 000 mm 高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)錨索，頂錨索長(zhǎng)度8.0 m，間排距為1.7 m×1.2 m，排與排之間采取“232”交錯(cuò)布置方式；煤柱幫補(bǔ)打錨索長(zhǎng)度為5.0 m，間排距為1.8 m×1.2 m，。鋼筋梯子梁采用φ14 mm 圓鋼焊制而成，長(zhǎng)度為2 600 mm 與1 700 mm，寬度80 mm，在安裝錨桿的位置焊接上2 道縱筋，縱筋間距80 mm，以便安裝錨桿。巷道支護(hù)斷面見(jiàn)圖9。

圖9 巷道支護(hù)斷面圖

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果分析

針對(duì)研究提出的近距離煤層下區(qū)段煤柱尺寸動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法在四盤(pán)區(qū)進(jìn)行了工程實(shí)踐，并對(duì)煤柱優(yōu)化后的四盤(pán)區(qū)輔運(yùn)巷變形情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖10?？梢钥闯?，巷道整體變形表現(xiàn)為緩慢增長(zhǎng)- 快速增長(zhǎng)- 平穩(wěn)波動(dòng)變化特征，變形趨于穩(wěn)定后，頂板最大下沉量為165 mm，煤柱幫最大位移量為154 mm，回采幫最大位移量145 mm，巷道整體變形較小，在允許范圍內(nèi)，優(yōu)化后的煤柱尺寸滿(mǎn)足巷道穩(wěn)定要求，實(shí)現(xiàn)了煤柱資源的有效回收。

圖10 巷道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 論

1）隨著下伏煤層煤柱寬度的減小，將增加煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中顯現(xiàn)程度，導(dǎo)致高應(yīng)力區(qū)向煤柱內(nèi)部傳導(dǎo)，降低煤柱承載能力，確定煤柱合理寬度時(shí)，應(yīng)充分考慮煤柱塑性區(qū)分布情況。

2）理論確定了下伏煤層塑性區(qū)寬度理論修正式，計(jì)算得到上伏遺留煤柱影響系數(shù)為1.13，結(jié)合數(shù)值模擬分析，優(yōu)化后區(qū)段煤柱位于遺留煤柱下合理寬度為17.5 m，位于采空區(qū)下的合理寬度為15 m，驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果的可靠性。

3）針對(duì)煤柱優(yōu)化后的四盤(pán)區(qū)輔運(yùn)巷，提出了“錨桿+錨索+鋼筋梯子梁”聯(lián)合支護(hù)方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，變形趨于穩(wěn)定后，頂板最大下沉量為165 mm，煤柱幫最大位移量為154 mm，回采幫最大位移量為145 mm，整體穩(wěn)定性較好，實(shí)現(xiàn)了煤柱尺寸的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，有效釋放了煤柱資源。