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        黑龍煤業(yè)2103工作面停采線合理位置確定

        2019-12-12 01:36:12左文錄
        2019年12期
        關(guān)鍵詞:核區(qū)大巷煤柱

        左文錄

        (潞安集團(tuán) 蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司,山西 蒲縣 041200)

        1 工作面概況

        黑龍煤業(yè)2103綜采工作面位于11號煤層21采區(qū),工作面主采9+10+11號煤層,9號煤與10+11號煤之間有一層厚度平均為1.6 m的夾矸,10號與11號煤層合并,9號煤平均厚度0.8 m,10+11號煤平均厚度4.8 m,故9+10+11號煤層平均厚度為7.2 m,平均傾角為4°,煤層偽頂為泥巖,均厚0.4 m,基本頂為石灰?guī)r,均厚13.7m,直接底為泥巖,均厚7.42 m,基本底為細(xì)砂巖,均厚3.43 m,煤層頂?shù)装鍘r層特征如表1所示。工作面沿走向布置,傾向長度190.5 m,走向可采長度為655 m;東面為9+10+11號煤層運輸大巷、軌道大巷、回風(fēng)大巷;西面為礦井井田邊界保護(hù)煤柱;北面是未開采區(qū)域;南面為已采2101工作面,與原2101回風(fēng)巷之間保護(hù)煤柱30 m。為提高煤炭資源采出率,對2103工作面停采線的合理位置進(jìn)行了研究。

        2 煤柱覆巖結(jié)構(gòu)分析

        在工作面回采過程中,隨著工作面與大巷距離不斷縮小,當(dāng)工作面推進(jìn)至一定程度時,基本頂會在大巷煤柱上方出現(xiàn)破斷,形成鉸接結(jié)構(gòu),并以斷裂線為旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,在基本頂旋轉(zhuǎn)下沉至與采空區(qū)矸石接觸時,此時基本頂?shù)男D(zhuǎn)下沉便會達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),上覆巖層的荷載會通過鉸接結(jié)構(gòu)向煤柱內(nèi)部傳遞,在煤柱內(nèi)部形成應(yīng)力降低區(qū)、增高區(qū)及穩(wěn)壓區(qū)[1-2],具體煤柱應(yīng)力分布情況如圖1所示。

        圖1 工作面回采后應(yīng)力分區(qū)示意

        在工作面回采后,上方基本頂會發(fā)生垮落,形成砌體梁結(jié)構(gòu),如圖2(a),為了進(jìn)行力學(xué)分析,對砌體梁進(jìn)行簡化處理,采用多跨梁的理論進(jìn)行分析,簡化后模型如圖2(b),圖中q' 為基本頂承受的均布載荷;P1為大巷內(nèi)對頂板的支護(hù)力;q為關(guān)鍵塊體B上的受力;K為煤柱的等效彈性模量,θ為塊體B的傾斜角度;F1為關(guān)鍵塊體B受到垮落矸石的支撐力;F為煤柱的實際支撐力;FS為煤柱等效塑性支撐力;FN為垮落矸石對塊體B的支撐力;F2為垮落矸石對塊體C的支撐力?,F(xiàn)為方便分析,假設(shè)煤柱存在兩種狀態(tài),一種狀態(tài)為大巷煤柱內(nèi)存在一定寬度的彈性核區(qū),此時的煤柱處于彈性狀態(tài),當(dāng)大巷煤柱處于全部塑性破壞狀態(tài)時,視為煤柱處于塑性狀態(tài)。

        圖2 回采完畢后砌體梁結(jié)構(gòu)受力

        基于理論分析能夠得出,大巷煤柱作用點B的撓度wb,如式(1)所示:

        (1)

        為方便計算,對公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化,分別設(shè):

        轉(zhuǎn)化后的公式為:

        wb=μP1+χF+δQ+αq'

        (2)

        煤柱在集中應(yīng)力F、Q、P1、q' 的共同作用下,基本頂破斷后的懸臂梁會產(chǎn)生向下彎沉的現(xiàn)象,則基于大巷處于彈性狀態(tài)和塑性狀態(tài)時,能夠得出煤柱的實際支撐力狀態(tài)如下:

        1) 煤柱處于彈性狀態(tài)時,此時2F+qx0

        2) 煤柱處于塑性階段時,此時2F+qx0>Fs,此時煤柱內(nèi)存在著很小的彈性核區(qū),或者不存在彈性核區(qū),煤柱不能承受住上覆巖層傳遞過來的應(yīng)力,在煤柱內(nèi)部會發(fā)生嚴(yán)重的破壞,煤柱基本全部處于塑性狀態(tài)。

        3 合理停采位置分析

        3.1 大巷煤柱合理寬度確定

        3.1.1 理論分析

        工作面回采過程中,覆巖的垂直應(yīng)力會逐漸向前移動,工作面前方的支撐壓力也會逐漸增大,回采工作面在煤壁前方會形成支承壓力集中現(xiàn)象,煤柱在采動影響下的彈塑性分布如圖3所示,圖中L1和L3區(qū)域為煤柱的塑性區(qū),L2為煤柱的彈性核區(qū)[3-4]。

        圖3 采動影響下煤柱彈塑性分布

        應(yīng)用彈塑性極限平衡理論可知,在保障護(hù)巷煤柱寬度內(nèi)存在一定寬度的彈性核區(qū)時,彈性核區(qū)的寬度L2應(yīng)為煤層開采高度的三倍,合理護(hù)巷煤柱寬度L、塑性區(qū)L1、L3的計算式如下:

        L=k(L1+3M+L3)

        (3)

        式中:k為安全系數(shù);M為煤層厚度,取7.2 m;c為煤層與頂?shù)装褰佑|時的粘聚力,取0.8 MPa;d為開采擾動因子,取3.1;β為彈性核區(qū)域屈服界面處的側(cè)壓系數(shù),取0.21;σz1為煤柱的極限抗壓強度,取11.94 MPa;Px為煤壁的側(cè)向約束力,取1.0 MPa;r0為回風(fēng)大巷巷道寬度的一半,取2.5 m;g為重力加速度,取9.8;h為煤層的開采深度,取230 m;pi為巷道一側(cè)的支護(hù)阻力,取0.55 MPa;φ為煤層與頂板接面的摩擦角,取21°。

        將數(shù)據(jù)代入公式計算得到:L1=8.62 m,L3=1.0 m,L2取3M為21 m,k取1.3,最后得到合理大巷護(hù)巷煤柱寬度L=39.8 m。

        3.1.2 數(shù)值模擬

        為進(jìn)一步確定2103工作面停采線的合理位置,現(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,根據(jù)2103工作面的地質(zhì)情況,建立長×寬×高=250 m×100 m×50 m的數(shù)值模型,在模型左右邊界分別留設(shè)20 m的邊界,分別模擬大巷煤柱寬度為50 m、46 m、44 m、42 m時,煤柱塑性區(qū)的發(fā)育情況,模擬結(jié)果如圖4所示。

        圖4 不同大巷煤柱寬度下煤柱塑性區(qū)發(fā)育情況

        由圖4可知,煤柱寬度為50 m時,大巷煤柱區(qū)域存在著部分塑性區(qū)域,煤柱在靠近工作面?zhèn)却嬖谥?~5 m的塑性破壞區(qū)域,煤柱整體處于穩(wěn)定狀態(tài),隨著煤柱寬度的減小,大巷煤柱彈性區(qū)的范圍逐漸減小,塑性區(qū)的范圍逐漸擴大,且大巷煤柱幫的塑性區(qū)范圍也在逐漸擴大,表明大巷圍巖的變形量隨著煤柱寬度的減小在逐漸增大,在大巷煤柱寬度為44 m時,此時靠近回風(fēng)大巷側(cè)存在著5 m的彈性區(qū),該區(qū)域煤體未破壞,有穩(wěn)定的承載能力,當(dāng)煤柱寬度為42 m時,煤柱已經(jīng)全部處于塑性狀態(tài),無法有效形成承載結(jié)構(gòu)。通過具體分析數(shù)值模擬結(jié)果,得出當(dāng)煤柱寬度為42 m時,煤柱內(nèi)部呈現(xiàn)出單峰分布,當(dāng)煤柱寬度在44 m以上時,煤柱內(nèi)部呈現(xiàn)雙峰分布。

        基于理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果,綜合2103工作面和回風(fēng)大巷的具體地質(zhì)情況,確定2103工作面與回風(fēng)大巷間的煤柱寬度為44 m,即2103工作面停采線位置距離回風(fēng)大巷間的煤柱寬度為44 m。

        3.2 效果分析

        為有效驗證2103工作面與回風(fēng)大巷間煤柱留設(shè)寬度的合理性,在2103工作面回采期間,通過在煤柱內(nèi)安設(shè)鉆孔應(yīng)力計進(jìn)行礦壓監(jiān)測,在煤柱上分別打設(shè)1~8 m深度的鉆孔,鉆孔直徑為40 mm,具體煤柱應(yīng)力計安裝如圖5(a)所示,支撐應(yīng)力-工作面與停采線距離的變形曲線,如圖5(b)所示。

        由圖5(b)可知,深度為8 m的鉆孔應(yīng)力計初始應(yīng)力為2.90 MPa,該應(yīng)力基本與巷道該深度處的原巖應(yīng)力相同,隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行,應(yīng)力有所增大,增加幅度較小,僅增加了0.36 MPa,另外其余2 m、4 m、6 m的鉆孔應(yīng)力計的變化規(guī)律基本與8 m鉆孔應(yīng)力計的變化趨勢相同,6 m鉆孔的初始應(yīng)力和最終應(yīng)力分別為2.80 MPa和3.15 MPa,1 m深度的鉆孔應(yīng)力計中的應(yīng)力值較小,鉆孔應(yīng)力的最大值為1.25 MPa,且該深度鉆孔應(yīng)力計隨著回采作業(yè)的進(jìn)行鉆孔應(yīng)力出現(xiàn)降低,表明煤體在1 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了塑性破壞,但煤體仍具有一定的承載能力,由此可知,留設(shè)44 m的煤柱時,煤柱內(nèi)存在較大的彈性核區(qū),能夠保障煤柱和回風(fēng)大巷的穩(wěn)定。

        圖5 鉆孔應(yīng)力計安裝位置及數(shù)據(jù)曲線

        4 結(jié) 語

        根據(jù)2103工作面與11號煤層回風(fēng)大巷的地質(zhì)條件,通過分析大巷煤柱上方覆巖結(jié)構(gòu)及變形規(guī)律,采用理論計算結(jié)合數(shù)值模擬的方法,綜合確定出工作面停采線位置距離回風(fēng)大巷的煤柱寬度為44 m,既保障了11號煤層回風(fēng)大巷的穩(wěn)定,又減少了煤炭資源的浪費。

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