黃慶國
(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西大同037003)
區(qū)段煤柱是工作面之間留設(shè)的保護煤柱,其作用主要是隔離采空區(qū)[1]和保護回采巷道,煤柱寬度的大小定位了相鄰采面沿空掘巷的位置,煤柱寬度變化差異,呈現(xiàn)在沿空巷道的礦壓顯現(xiàn)不同,決定了巷道支護的難易[2];同時,也影響資源回收率。通常,錯開采動支承壓力峰值影響區(qū)域是選擇沿空巷道位置即確定煤柱寬度的原則[3-4]。同忻礦現(xiàn)主要開采石炭系3~5號煤層,該煤層為特厚煤層,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度大、有火成巖侵入,選擇大采高綜合機械化放頂煤一次采全高采煤方法。回采過程中留設(shè)的區(qū)段煤柱寬度為38 m,用以隔離相鄰采空區(qū)的水、火、瓦斯等致災(zāi)威脅,保護回采巷道的使用安全。大煤柱護巷帶來兩個問題,煤炭損失大,巷道維護狀況差。綜放工作面推進時,沿空的區(qū)段平巷受采空區(qū)形成的側(cè)向支承壓力及本采面移動超前支承壓力影響,全煤巷道破壞變形嚴(yán)重以至于超過了40%的巷道斷面收縮,錨桿、錨索、鋼帶、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護體系遭受強力損壞,致使采面正規(guī)循環(huán)率顯著降低,嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)和礦井產(chǎn)量的穩(wěn)定。因此,開展8305綜放面沿空掘巷護巷小煤柱寬度研究,為同煤集團類似開采條件下的沿空掘巷小煤柱寬度確定提供科學(xué)依據(jù)和工程參考。
同忻礦8305綜放工作面位于一水平西三盤區(qū),開采3~5號煤層,北部為8307工作面采空區(qū),南部為實體煤,西部為銀塘溝村保護煤柱,東部為西三盤區(qū)輔助運輸大巷,所對應(yīng)的的地面標(biāo)高為1306~1395之間,5305巷巷口往里705 m范圍內(nèi)上部對應(yīng)為同家梁礦侏羅系14號煤層8904、8902-1、8902-2、8902-3工作面采空區(qū)。705 m至切眼對應(yīng)上部為白洞礦侏羅系14號煤層實煤區(qū)。侏羅系14-2#煤層與石炭系3~5#煤層層間距為184~216 m。8307工作面采空區(qū)范圍內(nèi)與侏羅系上覆14號煤層間距為175~220 m,2307運輸巷所在的范圍內(nèi),層間距為187~201 m之間。8305工作面和8307采空區(qū)位置,見圖1。侏羅系采空區(qū)于1993~1994年間形成,距今已經(jīng)23年,采空區(qū)已經(jīng)穩(wěn)定。8307工作面回采期間,侏羅系采空區(qū)和上覆巖層有一定損傷,即強度降低,節(jié)理裂隙發(fā)育。后續(xù)計算8307采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布應(yīng)考慮侏羅系采空區(qū)所附加的覆巖強度和節(jié)理裂隙的影響。
圖1 采空區(qū)和8305面位置關(guān)系
影響沿空掘巷煤柱尺寸的主要控制因素是8307工作面采空區(qū)頂?shù)装鍘r性。8307工作面煤層頂?shù)装迩闆r,見表1。依據(jù)2307巷實際揭露情況,工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單,煤層為緩單斜構(gòu)造,傾角1~2°,未見大的斷層、陷落柱等,本工作面揭露了一條傾角68°、0.3 m落差的正斷層。
表1 8307工作面煤層頂?shù)装迩闆r
依據(jù)彈塑性力學(xué)理論,結(jié)合同忻煤礦生產(chǎn)實際條件,分析計算本礦8307綜采放頂煤工作面回采后、頂板活動穩(wěn)定時形成的側(cè)向支承壓力分布范圍,尤其是側(cè)向支承壓力應(yīng)力降低區(qū)的范圍[5],為8305工作面沿空掘巷的巷道布置、小煤柱護巷提供理論依據(jù)。
為準(zhǔn)確可靠地預(yù)測8307工作面?zhèn)认蛑С袎毫?yīng)力降低區(qū)的范圍,對8307綜采放頂煤工作面圍巖做以下幾個方面的假設(shè):
(1)所有巖體為各向同性并且連續(xù)的彈塑性體。
(2)煤體的破壞為剪切破壞,且滿足Mohr-cou?lomb準(zhǔn)則。
(3)簡化研究的空間模型,研究對象為沿巷道傾斜方向的垂直剖面。
(4)在煤體極限強度位置x=x1處,其應(yīng)力邊界條件為:
式中:β為煤體極限強度所在面的測壓系數(shù),β=μ/(1 -μ );μ 為泊松比;α 為煤層傾角,(°);σx為x方向應(yīng)力,MPa;σy為 y方向應(yīng)力,MPa;σyi為煤柱的極限強度(即支承壓力峰值),MPa。
力學(xué)模型,見圖2。
圖2 煤柱塑性區(qū)寬度計算力學(xué)模型
圖2中,M為所采煤層的采出厚度,σx為水平方向的應(yīng)力,σy為垂直方向應(yīng)力,σyi為垂直應(yīng)力最大值,τxy為煤層與巖層間剪應(yīng)力,x1為極限平衡區(qū)寬度,α為煤層傾角,px為采空區(qū)施加到護巷煤柱的束縛力。
求解屈服區(qū)界面應(yīng)力的平衡方程式及邊界條件[6]為:
式中:X和Y分別表示在極限平衡區(qū)內(nèi)的煤體在x和y方向上的體積力,MPa;C0為煤層界面中的黏聚力,MPa;?0為煤層與頂?shù)装褰唤缣幍哪Σ两牵?°)。
通過數(shù)學(xué)變換,聯(lián)立求解屈服區(qū)界面應(yīng)力的平衡方程及邊界條件,可得出采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值離采空區(qū)邊界的距離為:
對于近水平煤層,煤層傾角α接近于0°,則上式簡化為:
式中:M為煤層開采厚度,m;β為測壓系數(shù);?0為煤層的內(nèi)摩擦角,(°);C0為煤層的黏聚力,MPa;px為采空區(qū)對煤柱的側(cè)向約束力,MPa。
8305工作面5305巷道的長軸方向為NEE,方位角為234.255°,這與同忻井田最大主應(yīng)力方向一致,實際的側(cè)向壓力為最小主應(yīng)力。煤層平均埋深525 m,覆巖平均容重2.5 t/m3,應(yīng)力集中系數(shù)2.0。依據(jù)同忻井田地應(yīng)力測試結(jié)果得出,β=0.91。煤層內(nèi)摩擦角?0取值28°;煤層的黏聚力C0取值1.80 MPa;采空區(qū)對煤柱的側(cè)向約束力px取0。將各參數(shù)代入式(6)進行計算,得出側(cè)壓系數(shù)一定的情況下,隨著煤層開采厚度的增加,應(yīng)力降低區(qū)的范圍逐漸擴大。工作面平均煤厚12.23 m,通過理論計算可以看出應(yīng)力降低區(qū)范圍為16.30~17.60 m,見表2。數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示,8307工作面采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力應(yīng)力降低區(qū)范圍為0~16 m,見圖3。與理論分析計算基本吻合。
表2 不同采厚時應(yīng)力降低區(qū)范圍
在平均煤厚12.23 m的情況下,8307工作面采空區(qū)穩(wěn)定后應(yīng)力降低區(qū)的范圍為16.30~17.60 m左右,8305綜放工作面5305回風(fēng)運料巷寬度5.5 m,為了保證沿空巷道處于應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi),小煤柱最大寬度為10.80 m。在此基礎(chǔ)上,煤柱越小,圍巖變形越少,但是煤柱寬度要保證能夠有效隔絕采空區(qū)瓦斯、水、氧氣,防止產(chǎn)生安全生產(chǎn)隱患,結(jié)合鄰近塔山礦的小煤柱護巷留設(shè)經(jīng)驗,確定小煤柱寬度6.00 m。
圖3 數(shù)值模擬側(cè)向支承壓力應(yīng)力降低區(qū)范圍
特厚煤層綜放面采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響范圍較普通綜采工作面大,支承壓力的峰值深入煤體以里,應(yīng)力降低區(qū)寬度更大,更有利于沿空掘巷小煤柱的靈活布置,以保證小煤柱護巷效果和有效隔絕采空區(qū)的安全生產(chǎn)隱患。采用小煤柱留設(shè)技術(shù),提高了煤炭資源回收率,巷道成型好、回采期間二次維護量小,而且支護環(huán)境、安全條件要比留設(shè)大煤柱更好。相比大煤柱工作面,在相同走向長度內(nèi),每回采一個小煤柱工作面產(chǎn)生經(jīng)濟效益上億元。