胡大沖，張保良，沈?qū)毺茫瑢O熙震，于海鋒

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司 安居煤礦，山東 濟(jì)寧 272000)

大采高工作面區(qū)段煤柱寬度量化研究

胡大沖1，張保良1，沈?qū)毺?，孫熙震1，于海鋒2

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司 安居煤礦，山東 濟(jì)寧 272000)

合理的區(qū)段煤柱寬度對(duì)于提高煤炭采出率、提升采煤作業(yè)的安全性具有重要作用。以楊家村煤礦22205工作面為工程背景，采用理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和FLAC3D數(shù)值模擬等多種方法對(duì)9、12、15和21 m不同寬度區(qū)段煤柱進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：當(dāng)煤柱寬度為9和12 m時(shí)，煤柱大部分進(jìn)入剪切破壞，塑性區(qū)范圍較大，不能達(dá)到維持煤柱穩(wěn)定的要求；當(dāng)煤柱寬度為15和21 m時(shí)，頂板塑性區(qū)范圍減小，煤柱承載能力增強(qiáng)，此時(shí)的煤柱寬度能滿足穩(wěn)定性要求。綜合考慮煤炭資源回收、巷道圍巖穩(wěn)定性，確定工作面的區(qū)段煤柱寬度為15 m。

淺埋煤層；大采高；區(qū)段煤柱；數(shù)值模擬；量化研究

在我國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)。新疆、內(nèi)蒙作為我國現(xiàn)階段兩個(gè)重要的煤炭生產(chǎn)基地，其煤層具有埋藏淺、賦存厚、地質(zhì)條件簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)。但充分開發(fā)該地區(qū)的煤炭資源，將對(duì)生產(chǎn)技術(shù)條件提出更高的要求，其中合理區(qū)段煤柱寬度是大采高一次采全高工作面開采要考慮的重要因素。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)區(qū)段煤柱寬度進(jìn)行了研究，取得了一些研究成果?？椎轮械萚1]提出合理區(qū)段煤柱寬度要考慮3個(gè)“有利于”原則；張世青等[2]研究表明淺埋薄基巖中厚煤層上覆巖層對(duì)煤柱影響較小，煤柱壓力較小，塑性區(qū)不大，礦壓顯現(xiàn)不強(qiáng)烈；奚家米等[3-4]對(duì)不同寬度區(qū)段煤柱研究表明大煤柱能夠保持巷道的穩(wěn)定性；譚云亮等[5-6]研究了巷旁支護(hù)及留窄小煤柱的可能性。綜上所述，現(xiàn)有文獻(xiàn)從巷道的穩(wěn)定性、支護(hù)效果、回采率大小等不同角度出發(fā)對(duì)區(qū)段煤柱寬度留設(shè)進(jìn)行了研究。以某礦22205工作面為工程背景，結(jié)合現(xiàn)有研究成果，采用理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)不同寬度區(qū)段煤柱進(jìn)行研究，得出該礦區(qū)段煤柱留設(shè)的合理寬度。

1 工程背景

楊家村煤礦22采區(qū)2-2上煤層采用大采高一次采全高綜合機(jī)械化開采；煤層平均埋深120 m，自然厚度1.80～10.28 m，平均6.03 m；煤巖層傾角0°30＇～2°，平均1°15＇，為近水平煤層，局部煤層存在著厚薄不均的夾矸(主要為泥巖)；工作面長(zhǎng)度平均為220 m；該采區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，根據(jù)鉆孔揭露顯示：煤層頂板依次為砂質(zhì)泥巖頂板，平均厚度2 m；泥巖頂板，平均厚度11 m；砂質(zhì)泥巖頂板，平均厚度48.5 m，礫巖頂板，平均厚度24.3 m。煤層底板依次為泥巖底板，平均厚度1 m；細(xì)砂巖底板，平均厚度30 m。

留設(shè)區(qū)段煤柱主要遵循原則：提高資源回收率、保證巷道的穩(wěn)定性及防止火災(zāi)、瓦斯、水患等災(zāi)害的發(fā)生。根據(jù)已采采區(qū)情況來看，留設(shè)20 m區(qū)段煤柱在回采期間巷道穩(wěn)定性好，圍巖變形小，完全能夠保障安全生產(chǎn)的要求，但造成較大資源浪費(fèi)，現(xiàn)回采22采區(qū)，本著提高資源回收率的原則對(duì)煤柱合理寬度進(jìn)行研究，基于煤柱極限平衡力學(xué)模型計(jì)算區(qū)段煤柱承載極限寬度，制定9、12、15、20 m留設(shè)方案，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合方法，最終確定區(qū)段煤柱留設(shè)合理寬度。

圖1 煤柱極限平衡力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of coal pillar limit equilibrium

2 理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 理論計(jì)算

1) 在彈塑性變形狀態(tài)下，煤柱的極限平衡力學(xué)模型[1,7]如圖1所示。在采空區(qū)側(cè)煤體出現(xiàn)應(yīng)力集中，垂直應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離煤柱邊緣而顯著增長(zhǎng)，在距煤柱邊緣一定寬度內(nèi)，煤柱的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態(tài)。

由圖1力學(xué)模型可得

(1)

式中：σy為煤體垂直應(yīng)力；λ為側(cè)壓系數(shù)；Fx為支架對(duì)煤幫的支撐力；c為煤體的粘聚力；φ為煤層與頂?shù)装褰缑嫣幍哪Σ旖?；m為煤層厚度；τxy為煤體與頂?shù)装逯g切應(yīng)力；K為采空區(qū)側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)；H為煤層埋深；x0為采空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度。

2) 式(1)為采空區(qū)側(cè)煤柱的塑性區(qū)寬度計(jì)算公式，回采巷道側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度[8]計(jì)算式為

(2)

式中：c為煤體的粘聚力；α為煤體的內(nèi)摩擦角；P為原巖應(yīng)力；r0為巷道半徑。

3) 區(qū)段煤柱理論寬度[7]

W=K0(x0+R) 。

(3)

式中，K0為安全系數(shù)，K0=1.15～1.45。

將K=4，γ=25 kN/m3，F(xiàn)x=0.32 MPa，c=1.9 MPa，α=32°,φ=31°，m=6 m，P=3.5 MPa代入公式(1)、(2)得到x0=6.7 m，R=2.5 m，取K0=1.3，代入式(3)得到區(qū)段煤柱理論寬度約為12 m。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為確定楊家村煤礦22205工作面傾向應(yīng)力分布，在工作面運(yùn)輸平巷下側(cè)實(shí)體煤內(nèi)安設(shè)了數(shù)個(gè)KSE型鉆孔應(yīng)力計(jì)，實(shí)測(cè)煤柱傾向支承壓力在回采期間的變化情況。在22205工作面前方布置5個(gè)測(cè)站，各測(cè)站相隔10 m,每個(gè)測(cè)站布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)相隔1 m，測(cè)點(diǎn)深分別為3、5、7、9 和11 m，如圖2所示。測(cè)點(diǎn)鉆孔直徑48 mm，高2 m。分析測(cè)站數(shù)據(jù)，選取一個(gè)測(cè)站數(shù)據(jù)得到傾向垂直應(yīng)力隨著工作面推進(jìn)變化曲線，如圖3所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Measuring points placement

圖3 傾向垂直應(yīng)力分布Fig.3 Side abutment pressure distribution

通過圖3可以看出，不同測(cè)點(diǎn)應(yīng)力在工作面推進(jìn)過程中的變化曲線存在一定差別：

1) 不同測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值不同，7 m測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力峰值為16 MPa，3 m測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值為11 MPa，5和9 m測(cè)點(diǎn)應(yīng)力峰值約為14.5 MPa，11 m煤柱應(yīng)力峰值為12.3 MPa。

2) 隨著工作面推進(jìn)，垂直應(yīng)力先增大后減小，呈單駝峰分布，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在工作面前方15 m左右。

3) 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最大應(yīng)力峰值出現(xiàn)在煤體內(nèi)7 m左右，與理論計(jì)算采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度一致，佐證了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的可靠性。

圖4 FLAC3D數(shù)值模擬模型圖Fig.4 FLAC3D numerical simulation model

3 不同寬度煤柱數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為了進(jìn)一步研究區(qū)段煤柱留設(shè)寬度對(duì)頂板垂直應(yīng)力及位移值的影響，綜合考慮理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用FLAC3D模擬分析寬度為9、12、15和21 m煤柱，建立如圖4所示的數(shù)值計(jì)算模型。模型X、Y、Z三個(gè)方向的長(zhǎng)度分別為：160 m×80 m×70 m，+Y方向?yàn)楣ぷ髅婊夭煞较颍?Y方向?yàn)橄锏谰蜻M(jìn)方向，+Z方向垂直向上。模型共劃分為77 280個(gè)基本單元和85 950個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用摩爾-庫倫模型，模型邊界條件為：在模型X方向兩側(cè)面加法方向位移約束，同時(shí)對(duì)Y方向的兩個(gè)側(cè)面加法方向位移約束，在模型的底面加Z方向豎直位移約束。煤層平均埋深120 m，重力加速度取10 m/s2，模型上邊界施加的豎向均布載荷為3.5 MPa。模擬計(jì)算所需的部分巖層的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

3.2 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)楊家村煤礦22205工作面煤層開采地質(zhì)條件，工作面回采巷道為煤巷，寬度和高度分別為5和3.5 m，采用錨索支護(hù)方式。工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度220 m，開挖長(zhǎng)度110 m，工作面多次推進(jìn)，每次推進(jìn)10 m，不同寬度煤柱垂直應(yīng)力云圖如圖5所示。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算模型的巖體力學(xué)參數(shù)

圖5 不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布云圖Fig.5 Vertical stress distribution of different coal pillar widths

由圖5分析可知：

1) 隨著煤柱寬度增大，煤柱中部應(yīng)力逐漸減小。煤柱寬度為9、12、15、21 m時(shí)，其應(yīng)力依次為17.3、17.0、15.0、12.0 MPa。

2) 沿傾向支承壓力先增大后減小再增大，呈現(xiàn)雙駝峰形狀，采空區(qū)側(cè)應(yīng)力比巷道側(cè)大。

3) 煤柱應(yīng)力峰值出現(xiàn)在采空區(qū)側(cè)，不同寬度區(qū)段煤柱峰值應(yīng)力比原巖應(yīng)力高近1個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.3 不同寬度煤柱位移場(chǎng)規(guī)律

圖6和圖7分別為巷道兩幫和頂?shù)装逑鄬?duì)移近量隨煤柱寬度變化曲線：

1) 巷道兩幫移近量隨著工作面推進(jìn)先增大后減小，最后基本保持水平。巷道兩幫最大位移在工作面前方15 m左右，隨著煤柱寬度的增加巷道兩幫最大位移依次減小，9 m煤柱兩幫最大位移65 mm、12 m煤柱最大位移60 mm、15和21m煤柱最大位移約為55 mm。

2) 巷道頂?shù)装逡平侩S著煤柱寬度的增大而減小，隨著工作面的推進(jìn)頂?shù)装逡平肯仍龃蠛鬁p小，頂板最大下沉出現(xiàn)在距工作面15 m左右，其中9和12 m煤柱的頂?shù)装逡平考s為110 mm、15 m煤柱頂?shù)装逡平繛?00 mm、21 m煤柱最大值則為90 mm。

3.4 不同寬度煤柱塑性破壞分布規(guī)律

不同寬度煤柱數(shù)值模擬得到塑性破壞分布規(guī)律如圖8所示：

1) 在工作面采動(dòng)影響下，煤柱兩側(cè)邊緣煤體產(chǎn)生塑性破壞，煤柱邊緣煤體應(yīng)力降低，垂直應(yīng)力向煤柱深部轉(zhuǎn)移；窄煤柱在工作面采動(dòng)影響下全部進(jìn)入塑性區(qū)；煤柱寬度增大，在煤柱內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)彈性核區(qū)，煤柱有一定的承載能力。

圖6 不同煤柱寬度巷道兩幫近量Fig.6 Convergence of lanes of different pillar widths

圖7 不同煤柱寬度巷道頂?shù)装逡平縁ig.7 Roof-to-floor convergence of roadway of different pillar widths

圖8 不同煤柱寬度塑性破壞特征Fig.8 The plastic fracture characteristics of different coal pillar widths

2) 煤柱寬度為9 m時(shí)，塑性區(qū)全部貫通，承載能力很小，無法保證煤柱穩(wěn)定和巷道安全使用。煤柱寬度為12 m時(shí)，塑性區(qū)范圍減小，煤柱承載能力增強(qiáng)，但不能達(dá)到維持巷道變形和煤柱穩(wěn)定性的要求。

3) 煤柱寬度為15 m時(shí)，煤柱出現(xiàn)4～7 m彈性核區(qū)，此時(shí)煤柱可以承載來自采空區(qū)頂板的大部分載荷，如果加強(qiáng)支護(hù)可以滿足穩(wěn)定性的要求。煤柱寬度21 m時(shí)，煤柱塑性區(qū)分布在巷道邊緣3～6 m范圍內(nèi)，彈性核區(qū)寬度在11～15 m之間，與煤柱寬度15 m相比，僅是增加煤柱的彈性區(qū)寬度，對(duì)煤柱的穩(wěn)定性沒有影響,此時(shí)煤柱更有利于巷道的穩(wěn)定，但卻增加了煤炭資源的損失。

通過FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)4種寬度區(qū)段煤柱穩(wěn)定性及巷道圍巖塑性區(qū)范圍進(jìn)行對(duì)比分析，考慮該礦22采區(qū)2-2上煤層開采工作面布置的實(shí)際情況，在一定支護(hù)強(qiáng)度條件下，煤柱寬度取15 m，既能滿足生產(chǎn)使用要求，又可以提高煤炭資源回收率。

4 結(jié)論

1) 理論計(jì)算求得區(qū)段煤柱寬度為12 m?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析結(jié)果顯示，側(cè)向支承壓力呈單駝峰分布，最大應(yīng)力出現(xiàn)在煤體內(nèi)7 m左右。

2) 由數(shù)值模擬結(jié)果可知：煤柱寬度為9 m時(shí)，煤柱處在側(cè)向應(yīng)力高峰區(qū)范圍內(nèi)；當(dāng)煤柱寬度在9～12 m時(shí)，不能完全避開側(cè)向支承壓力高峰區(qū)；當(dāng)煤柱寬度在12～15 m時(shí)，煤柱中部出現(xiàn)彈性核區(qū)，煤柱集中應(yīng)力減小；煤柱寬度15～21 m時(shí)，煤柱內(nèi)彈性核區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，圍巖變形較小。

3) 綜合理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和FLAC3D模擬結(jié)果，考慮資源回收、巷道穩(wěn)定性、災(zāi)害控制等因素，確定22采區(qū)22205工作面煤柱合理寬度為15 m。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

Quantitative Study on Rational Width of Section Coal Pillar in Large Mining Height Working Face

HU Dachong1,ZHANG Baoliang1,SHEN Baotang1,SUN Xizhen1，YU Haifeng2

(1.College of Mining & Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China； 2.Anju Mine of Jining Mining Industry Group Co.Ltd,Jining,Shandong 272000,China)

Rational width of section coal pillar has important effects on improving the coal recovery rate and safety of coal mining operation.Based on the engineering background of working face 22205 in Yangjiacun coal mine,the paper calculated and analyzed the section coal pillar of the width of 9,12,15 and 21 m by using theoretical calculation,software of FLAC3Dand stress monitoring.The results show that when the width of segment pillar is 9 or 12 m,the coal pillar,most of which has shear failure and large scope of plastic zone,cannot meet the requirements for pillar stability.However,when the width of segment pillar is 15 or 21 m,the coal pillar,with stronger bearing capacity and smaller roof plastic zone,can meet the requirements for stability.Therefore,with a comprehensive consideration of various elements such as resources recovery and surrounding rock stability of roadway,the rational width of section coal pillar is determined as 15 m.

shallow depth mine; large mining height; section coal pillar; numerical simulation; quantitative study

2016-03-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51428401)

胡大沖(1991—)，男，山東滕州人，碩士研究生，主要從事礦山災(zāi)害與防治的研究.E-mail：2439025860@qq.com 沈?qū)毺?1964—)，男，河北河間人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工程地質(zhì)及礦山災(zāi)害防治研究，本文通信作者. E-mail：Baotang.shen@csiro.au

TD822.3

A

1672-3767(2017)03-0032-06