“充填體-煤柱”協(xié)同承載機(jī)理及煤柱合理尺寸留設(shè)*

任帥

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽淮南市 232000;2.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院,安徽淮南市 232000;3.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,安徽淮南市 232000)

0 引言

由于近年來的大規(guī)模開采,淺部煤炭資源已近枯竭,而中國埋深超過1000 m 的煤炭資源量占總量的51%,超過800 m 采深的礦井達(dá)139 處[1-3]。然而隨著開采深度逐漸增大,“三高一擾動(dòng)”賦存環(huán)境和地質(zhì)條件的力學(xué)現(xiàn)象顯現(xiàn)將會(huì)更加劇烈,易引發(fā)沖擊地壓、地表突然塌陷等采動(dòng)災(zāi)害[4],影響地面建(構(gòu))筑物安全及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。實(shí)踐證明,充填開采是一種能有效解決“三下”壓煤問題和控制深部開采采動(dòng)損害的開采方法[5-6]。

目前實(shí)踐中應(yīng)用于“三下”深部煤炭資源開采的技術(shù)主要有矸石充填、膏體充填和高水充填[7-12]。當(dāng)煤層被開采后,采空區(qū)煤柱無側(cè)向應(yīng)力,煤柱垂直應(yīng)力增加并發(fā)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致煤柱發(fā)生形變。當(dāng)煤柱承受載荷大于煤體強(qiáng)度時(shí),煤柱發(fā)生失穩(wěn)破壞,煤柱產(chǎn)生剝蝕及頸縮、斜切壓剪及橫向劈裂等破壞。煤柱的穩(wěn)定性是影響覆巖移動(dòng)及地表下沉變形的關(guān)鍵因素。通過分析煤柱穩(wěn)定性主要影響因素,充填開采條件下煤柱的穩(wěn)定性以及破壞失穩(wěn)的機(jī)理,以此設(shè)計(jì)合理的煤柱寬度,這對于提高煤炭資源采出率和控制地表變形具有重要的作用[13-16]。

本文結(jié)合充填工作面布置特征建立充填體與煤柱承載結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,分析充填體與煤柱的相互作用關(guān)系,模擬計(jì)算充填體與煤柱在協(xié)同承載過程中的應(yīng)力變化、覆巖位移和塑性破壞特征,揭示充填體與煤柱協(xié)同承載機(jī)理,探究合理的煤柱留設(shè)尺寸。

1 煤柱穩(wěn)定性影響因素

煤柱的穩(wěn)定性是影響覆巖移動(dòng)及地表下沉變形的關(guān)鍵因素。一般來說,影響煤柱穩(wěn)定性的主要因素有地質(zhì)因素、煤體力學(xué)性質(zhì)、采礦因素。

河南某礦的工作面埋深為820 m,工作面寬度為110 m,推進(jìn)長度為1000 m。采空區(qū)的充填率為90%,工作面開采的3號(hào)煤層的平均厚度為3.0 m,構(gòu)造簡單,傾角為6°。

1.1 地質(zhì)因素

(1)地質(zhì)構(gòu)造。諸如覆巖裂隙、斷層及其破碎帶、節(jié)理等特殊地質(zhì)構(gòu)造改變了煤柱應(yīng)力環(huán)境及煤體的完整性,影響煤柱的穩(wěn)定性。該工作面斷層構(gòu)造多、斷層落差大,過斷層時(shí)來壓強(qiáng)度大,煤柱易受壓失穩(wěn)破壞。

(2)覆巖容重。采深和上覆巖層的容重決定煤柱所承受的載荷,從而影響煤柱的應(yīng)力狀態(tài)。已知該工作面平均埋深為821 m,屬于深部煤層,開采期間易受高地溫、高地應(yīng)力和高巖溶水壓等影響。開采擾動(dòng)強(qiáng)烈時(shí),煤柱易呈塑性狀態(tài),強(qiáng)度降低,進(jìn)而發(fā)生失穩(wěn)。

(3)煤層傾角。煤層傾角決定了煤柱受力狀態(tài),煤層傾角增大,采空區(qū)充填密實(shí)程度提高,導(dǎo)致煤柱下部三角區(qū)處于三向受力狀態(tài),而上部三角區(qū)處于單向受力狀態(tài),影響煤柱穩(wěn)定性。已知工作面煤層平均傾角為6°,屬于近水平煤層,煤層傾角對煤柱穩(wěn)定性的影響較小。

1.2 煤體力學(xué)性質(zhì)

煤體力學(xué)性質(zhì)主要包括單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)摩擦角等,同時(shí)還有煤柱構(gòu)造,包括煤柱內(nèi)部構(gòu)造、煤柱與頂?shù)装褰缑娴酿ぞ哿Φ?。前者是影響煤柱自身?qiáng)度的主要因素,后者由于煤柱內(nèi)存在弱面,煤柱容易產(chǎn)生剪切破壞,降低煤柱的穩(wěn)定性。該工作面煤體的抗壓強(qiáng)度為7.81 MPa、抗拉強(qiáng)度為0.63 MPa、黏聚力為3.2 MPa、內(nèi)摩擦角為30°,煤體力學(xué)參數(shù)較低,易導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)破壞。

1.3 采礦因素

采礦因素主要指開采寬度、煤柱的寬度和高度、采空區(qū)處理方法(采空區(qū)垮落法、充填開采)等。當(dāng)采出率相同時(shí),增大煤柱留設(shè)寬度會(huì)提高其穩(wěn)定性,煤柱的整體強(qiáng)度隨其寬度的增加而增大,隨寬高比的增加而增大。

2 “充填體＋煤柱”協(xié)同承載效應(yīng)

2.1 充填前煤柱支撐作用

煤層開采后,煤柱由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮上驊?yīng)力狀態(tài),煤體中應(yīng)力重新分布。采空區(qū)上覆巖層斷裂,地表出現(xiàn)沉降,下沉量為ω,如圖1(a)所示,此時(shí)煤柱沒有發(fā)生失穩(wěn)。隨著開采時(shí)間的增長,煤柱兩側(cè)邊緣開始屈服、煤壁片落,有效承載面積逐漸減小,應(yīng)力集中程度相應(yīng)增加,而應(yīng)力的增加會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大煤柱屈服區(qū)的寬度,煤柱兩側(cè)邊緣進(jìn)入塑性狀態(tài)并發(fā)生屈服,煤柱由外到里發(fā)生破壞。當(dāng)煤柱強(qiáng)度不足、無法有效承載上覆巖層的載荷時(shí),煤柱發(fā)生整體失穩(wěn),地表發(fā)生大面積沉陷,此時(shí)下沉量為ω′,如圖1(b)所示。

圖1 未充填空區(qū)時(shí)煤柱承載示意

2.2 充填后“煤柱-充填體”支撐作用

當(dāng)對煤柱兩側(cè)采空區(qū)進(jìn)行充填后,由于充填體的初始強(qiáng)度較低,無法起到有效支撐作用,上覆巖層出現(xiàn)小范圍下沉。煤柱受到上覆巖層豎向壓力,發(fā)生彈塑性變形,煤柱兩側(cè)逐步受到充填體的擠壓作用。由于充填工藝限制,充填率難以達(dá)到100%,頂板出現(xiàn)下沉并產(chǎn)生裂隙,此過程表示為以下4 個(gè)階段。

第一階段(t1):頂板開始下沉但未接頂,充填體不對煤柱起側(cè)向約束作用,煤柱兩側(cè)發(fā)生塑性破壞。如圖2所示。

圖2 充填體未起支護(hù)作用

第二階段(t2):頂板繼續(xù)下沉但沒有完全接頂,煤柱仍然受到覆巖豎向壓力F的作用,此時(shí)充填體已對煤柱產(chǎn)生了側(cè)向支撐力Fc,對煤柱產(chǎn)生側(cè)向約束作用。煤柱破壞減緩,煤柱強(qiáng)度不再降低,上覆巖層下沉速度較第一階段的下沉速度減小,煤柱由兩向受力狀態(tài)逐漸恢復(fù)為三向受力狀態(tài),如圖3所示。

圖3 充填體對煤柱起支護(hù)作用

第三階段(t3):頂板繼續(xù)下沉并與部分充填體接頂,同時(shí)充填體強(qiáng)度增高,充填體已經(jīng)產(chǎn)生了較大的豎向支撐力,并繼續(xù)對煤柱兩側(cè)產(chǎn)生側(cè)向支撐力Fc。頂板巖層的下沉速度大大減緩,煤柱所受應(yīng)力減少,煤柱得到進(jìn)一步保護(hù),煤柱仍然對上覆巖層起主要承載作用,如圖4所示。

圖4 充填體對頂板起支撐作用

第四階段(t4):當(dāng)頂板巖層下沉到一定程度后,充填體與頂板完全接觸,充填體也達(dá)到其最大強(qiáng)度,對上覆巖層產(chǎn)生較大的支撐作用力,同時(shí)對煤柱產(chǎn)生側(cè)向支撐力Fc,這時(shí)煤柱與充填體共同支撐頂板巖層,維護(hù)著上覆巖層的穩(wěn)定。此時(shí)煤柱、充填體、頂板巖層達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),如圖5所示。

圖5 充填體與煤柱共同支撐上覆巖層

因此,上覆巖層應(yīng)力在充填體未與頂板完全接觸之前主要作用在煤柱上,充填體主要對煤柱起側(cè)向約束作用,抑制其屈服擴(kuò)散及變形破壞;當(dāng)充填體完全接頂后,充填體與煤柱形成協(xié)同承載系統(tǒng),共同支撐上覆巖層。

3 充填條件下煤柱合理寬度留設(shè)

3.1 數(shù)值模型建立

以摩爾-庫侖作為破壞的準(zhǔn)則,模型沿x方向240 m,y方向360 m,工作面寬度110 m,工作面推進(jìn)長度240 m,模擬不同煤柱留設(shè)寬度下的煤柱應(yīng)力分布與塑性區(qū)范圍,如圖6所示,力學(xué)參數(shù)見表1。模型四周及底部固定,上部施加等效載荷20.5 MPa。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

本次模擬共設(shè)計(jì)7組方案,分別探究煤柱寬度為10,15,20,25,30,35,40 m 的情況下煤柱及圍巖的應(yīng)力、塑性破壞、頂板下沉情況。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

當(dāng)兩工作面回采與充填后,煤柱及圍巖應(yīng)力重新分布,不同寬度煤柱的應(yīng)力分布如圖7所示。

當(dāng)煤柱寬度由10 m 增加到40 m 時(shí),煤柱應(yīng)力峰值分別為55,50,45,45,42,42,40 MPa。當(dāng)煤柱寬度超過30 m 時(shí),煤柱內(nèi)應(yīng)力呈馬鞍形分布,主要集中在煤柱內(nèi)部距煤柱與充填體交界面4 m 處。

不同寬度煤柱的塑性區(qū)分布如圖8所示。

當(dāng)煤柱寬度為10 m 時(shí),煤柱內(nèi)塑性區(qū)貫通,充填體對覆巖起主要支撐作用;當(dāng)煤柱寬度在15～40 m 時(shí),煤柱內(nèi)塑性區(qū)范圍為3.5 m,主要發(fā)生拉剪破壞。當(dāng)煤柱寬度為15,20 m 時(shí),充填體與覆巖接觸處破壞范圍較大,主要發(fā)生剪切破壞;當(dāng)煤柱寬度由25 m 增大至40 m 時(shí),充填體破壞范圍基本不再增加。

當(dāng)上下區(qū)段工作面回采充填結(jié)束后,隨著煤柱寬度的增加,頂板最大下沉量不斷減小;當(dāng)煤柱寬度為30 m 及以上時(shí),頂板下沉量波動(dòng)范圍較小(33～36 cm);當(dāng)煤柱寬度低于30 m 時(shí),最大下沉量約為40 cm。

從提高資源采出率、保證地表生態(tài)環(huán)境、保持“煤柱充填體”穩(wěn)定性等方面綜合考慮,區(qū)段煤柱的合理寬度應(yīng)設(shè)計(jì)為30 m。

4 充填工作面區(qū)段煤柱應(yīng)力監(jiān)測

為得到該工作面推進(jìn)過程中煤柱應(yīng)力變化特征,在軌道巷煤柱側(cè)幫安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)。鉆孔應(yīng)力計(jì)設(shè)置在工作面軌道巷距切眼80 m 處,現(xiàn)主要根據(jù)6 m 淺測點(diǎn)和18 m 深測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析,應(yīng)力變化曲線如圖9所示。

監(jiān)測結(jié)果顯示,在工作面推進(jìn)過程中,80 m 處煤體應(yīng)力逐漸升高,當(dāng)工作面分別推進(jìn)到48 m 和52.5 m 時(shí),淺測點(diǎn)與深測點(diǎn)煤體應(yīng)力先后達(dá)到應(yīng)力峰值。根據(jù)80 m 處煤體應(yīng)力變化,可得煤柱側(cè)向支承壓力應(yīng)力分布,如圖10所示。

圖10 煤柱支承壓力

圖10中a—a剖面平行于工作面布置,工作面推進(jìn)48 m 時(shí),a—a剖面煤柱內(nèi)應(yīng)分布如圖11 所示。由圖11可知:

圖11 煤柱內(nèi)應(yīng)力分布

(1)煤柱內(nèi)應(yīng)力發(fā)生積聚,靠近煤柱兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力峰值,應(yīng)力分布呈馬鞍形;

(2)煤柱由外向內(nèi)應(yīng)力逐漸升高,應(yīng)力從0陡增至9.9 MPa,達(dá)到峰值,峰值點(diǎn)距煤壁6 m,應(yīng)力集中系數(shù)為1.71,峰值點(diǎn)之后應(yīng)力緩慢降低至3.72 MPa。

綜上所述,工作面軌道順槽煤柱應(yīng)力在工作面推進(jìn)48 m 之后達(dá)到了峰值,此時(shí)監(jiān)測點(diǎn)距工作面距離為32 m,應(yīng)力峰值達(dá)到9.9 MPa。深測點(diǎn)的應(yīng)力值基本小于淺測點(diǎn)應(yīng)力值,采空區(qū)穩(wěn)定后應(yīng)力變化幅度較小。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合河南某礦充填工作面地質(zhì)開采條件,探究了地質(zhì)條件、煤柱強(qiáng)度、采礦因素對工作面區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性影響特征,研究了充填空區(qū)前后煤柱及“充填體煤柱”對頂板的支撐作用。

(2)通過FLAC3D 對充填開采條件下不同寬度煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行探究,結(jié)果表明,當(dāng)煤柱寬度為30 m 及以上時(shí),煤柱所受豎向應(yīng)力在40～43 MPa,塑性區(qū)范圍穩(wěn)定,基本頂最大下沉量為33～35 cm。從提高資源采出率、保證地表生態(tài)環(huán)境、保持“充填體＋煤柱”穩(wěn)定性等方面綜合考慮,確定合理區(qū)段煤柱寬度為30 m。

(3)工作面區(qū)段煤柱鉆孔應(yīng)力監(jiān)測表明,超前工作面32 m 為峰值應(yīng)力區(qū),豎向應(yīng)力為9.9 MPa,應(yīng)力集中程度較小,表明“充填體＋煤柱”協(xié)同承載有利于降低煤柱應(yīng)力集中程度,提高煤柱穩(wěn)定性。