曉亞迪, 段文婷 , 李 源
(1.太原理工大學, 山西 太原 030024; 2.山西天地煤機裝備有限公司, 山西 太原 030006)
山西某礦第八盤區(qū)主采二疊紀8號煤層,煤層結(jié)構(gòu)較為復雜,平均夾矸5層,夾矸厚度最大0.5 m,平均煤厚為4.7 m,平均傾角為3°,煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。
表1 煤層頂?shù)装鍘r性
圖2 工作面布置圖
8109工作面和8110工作面埋深115~204 m,8109工作面西鄰8110未采工作面,東臨8108已采工作面,北部為井田保護煤柱,南部為一盤區(qū)盤區(qū)大巷,工作面布置圖如圖2所示。模擬的煤柱尺寸為8109回風順槽與8110運輸順槽之間的區(qū)段煤柱,8109與8110綜采工作面均為準備工作面,尚未進行回采。8109工作面在進行回采時,8110運輸順槽將作為8109工作面的輔助運輸順槽,8109回風順槽與8110運輸順槽均為矩形斷面順槽,巷道跨度為4.8 m,高度為 3.8 m[1]。
當區(qū)段煤柱一側(cè)為采空區(qū)時,即煤體(柱)臨近采空區(qū)的一側(cè)處于彈性變形階段,煤柱中彈塑性變形區(qū)與煤柱受到的垂直應力分布如圖3所示。由圖可知,煤體(柱)受到的垂直應力與臨近采空區(qū)的距離s有關(guān)系,隨著s的逐漸增大(遠離采空區(qū)邊緣),垂直應力呈近線性增加,當?shù)竭_一定范圍后,呈負指數(shù)關(guān)系遞減到原巖應力值。在回采工作面的采動作用下,從煤體(柱)的邊緣到煤體(柱)的深部,都會出現(xiàn)破裂區(qū)(臨近采空區(qū)一側(cè)受到的垂直應力低于原巖應力)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應力區(qū)。
圖3 煤柱(體)的彈塑性變形區(qū)及垂直應力分布
當煤柱(體)深部與靠近采空區(qū)邊緣一側(cè)的距離逐漸增大時,煤柱(體)的承載能力也會逐漸提高。在煤體(柱)靠近采空區(qū)的一定范圍內(nèi),煤體(柱)的承載能力與支承壓力會處于極限平衡狀態(tài)。此時,運用極限平衡理論可求得煤體(柱)的塑性區(qū)寬度范圍s:
式中:K為應力集中系數(shù);p1為支架對煤幫的阻力;m為煤層開采厚度;C為煤巖體的內(nèi)聚力;φ為煤巖體的內(nèi)摩擦角;f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)。
根據(jù)煤礦現(xiàn)場實際開采,x0的范圍為3~20 m,一般為5~12 m。應力降低區(qū)的寬度范圍為2~7 m,一般為3~5 m。
工作面回采過程會引起支承壓力的重新分布,其應力分布狀態(tài)的變化范圍L與煤柱留設的寬度B有關(guān),且主要分為以下三種:
1)當B>2L時,煤柱在中部會受到均布載荷的作用,均布載荷大小為初始應力γH。在煤柱邊緣靠近采空區(qū)的位置會出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象,稱之為高應力區(qū)。從煤柱靠近才空區(qū)的一側(cè)到煤柱中部核區(qū)依次為破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應力區(qū)[2]。
2)當L>B>2L時,煤柱中部位置恰好為支承壓力相疊加的位置,故其應力值會大于原巖應力值γH,煤柱受到的垂直應力整體呈現(xiàn)“馬鞍形”分布的特點。
3)當L>B時,靠近采空區(qū)的煤柱兩側(cè)邊緣會使得支承壓力相互疊加,使得支承壓力峰值在煤柱中部相互疊加,故煤柱中部承受的載荷明顯大于上述兩種情況。因此煤柱在受到兩側(cè)回采工作面采動作用的影響時,應力集中系數(shù)K會突增到4~5,并且煤柱中部由于受到長時間的高應力狀態(tài)會發(fā)生塑性流動破壞的現(xiàn)象。
基于巖體極限平衡理論,運用下式確定煤柱塑性區(qū)的寬度:
式中:m為煤層采高,m,由于礦井實際的開采高度與回采巷道的凈高度不同,綜合考慮煤層開采作用的影響,故取m為開采高度與巷道凈高度和的1/2。f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù),f=0.25tanφ;φ為煤體的內(nèi)摩擦角,°;K為應力集中系數(shù),當煤體(柱)一側(cè)受到采動作用時,K為2.5,當煤柱兩側(cè)都受到采動作用采動時,K為4;C為煤巖體的內(nèi)聚力,一般取值為0.45~0.75 MPa;p1為支架對煤幫的阻力,取為 0[3]。
根據(jù)礦井實際地質(zhì)情況,已知煤層開采深度H=300 m,上覆巖層容重 γ=25 000 N/m2,煤柱由于受到兩側(cè)采動作用的影響,故K取4,結(jié)合礦井煤層開采作用的影響,取m=3.8 m;根據(jù)實驗室實驗側(cè)的煤體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為C=1 500 kN/m2和φ=30°,故計算可得8110運輸順槽與8109回風順槽之間的煤柱寬度B為20 m。
1)測試儀器:ZBL-U510型非金屬超聲檢測儀。
2)測試方法:針對8110運輸順槽與8109回風順槽圍巖松動圈測試采用單孔測試法。測孔鉆成后及時進行了測試,沒有出現(xiàn)測孔變形或坍塌現(xiàn)象,測試前用壓力水沖洗每個測孔,把測孔中的煤巖粉沖洗干凈;耦合方式采用水耦合。聲波無損檢測分析儀連接探頭通電預熱后,用推桿將探頭送入孔底,然后拉動推桿將探頭向外每移動10 cm讀一次聲時,直到孔口為止。
3)測試結(jié)果如表2說示。
表2 松動圈結(jié)果
松動圈測試結(jié)果如表2所示,由此可知:第一,隨著工作面的不斷推進,回采巷道的巷道圍巖松動圈范圍顯著增大,在工作面超前35 m到15 m的回采范圍內(nèi),負幫松動圈由1.2 m增大到2 m,正幫松動圈由1.4 m增加到2.6 m;第一,負幫松動圈范圍普遍小于正幫松動圈范圍。因此,根據(jù)穩(wěn)定護巷煤柱寬度留設的條件,按照現(xiàn)場實測的松動圈范圍,負幫取1.2m,正幫取2.6m,煤層厚度為3.8m,則煤柱合理寬度為10m[4]。
1)根據(jù)松動圈測試結(jié)果分析,在受到采動影響作用后,巷道測得的松動圈最大值是2.6 m,煤柱的合理寬度是10 m。
2)經(jīng)理論計算表明,煤柱寬度為20 m。
綜合以上研究結(jié)果,8109回風順槽與8110運輸順槽之間煤柱的合理寬度為20 m。