趙志龍

(1.華潤(rùn)煤業(yè)(集團(tuán))有限公司,太原 030024;2.太原華潤(rùn)煤業(yè)有限公司 原相煤礦,山西 古交 030200)

煤柱作為保證煤礦安全開采的重要組成部分,在煤礦生產(chǎn)中起著支撐上覆巖體、隔離采空區(qū)和維護(hù)回采巷道的穩(wěn)定性等重要作用。近些年來,隨著我國(guó)煤炭技術(shù)人員的深入研究,逐漸發(fā)明了無煤柱開采工藝(如柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)以及切頂卸壓沿空留巷技術(shù)等),并在一部分礦井進(jìn)行了實(shí)踐。盡管無煤柱開采技術(shù)有著很多的優(yōu)勢(shì),但也存在著一些缺陷,如沿空所留巷道底臌嚴(yán)重、切頂卸壓留巷對(duì)頂板硬度以及完整性要求較高等。由于我國(guó)的煤礦地質(zhì)條件千差萬別,因此，留設(shè)煤柱保護(hù)回采巷道還是現(xiàn)階段我國(guó)絕大部分煤礦采用的主要方式[1-6]。

本文針對(duì)峁底煤礦的實(shí)際生產(chǎn)條件,采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,對(duì)于峁底煤礦東翼10104工作面的煤柱尺寸進(jìn)行計(jì)算,并為本礦井其他工作面留設(shè)煤柱提供參考。

1 工程概況

山西興縣華潤(rùn)聯(lián)盛峁底煤礦采用斜井開拓,10104工作面煤層賦存于山西組中下部,下距K7砂巖4.80 m。煤層厚度為2.91～3.19 m,平均2.55 m,為井田穩(wěn)定可采煤層,井田內(nèi)煤層厚度變化不大。煤層結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單—中等。煤層頂板主要為泥巖和細(xì)砂巖,時(shí)有炭質(zhì)泥巖偽頂,厚度9.60～15.60 m,平均13.12 m。底板為泥巖,厚度為2.95～6.65 m,平均4.92 m。10104工作面埋深400 m左右,工作面長(zhǎng)度155 m,工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1 000 m,工作面回采巷道沿煤層底板掘進(jìn)[7]。圖1為10104工作面布置圖。

圖1 10104工作面布置圖Fig.1 10104 working face layout

2 區(qū)段煤柱合理尺寸留設(shè)應(yīng)遵循的原則

傳統(tǒng)壁式采煤體系中,一般將采區(qū)(盤區(qū)、帶區(qū))劃分為若干區(qū)段,每個(gè)區(qū)段布置一個(gè)采煤工作面。為便于采煤工作面順槽巷道維護(hù),使每個(gè)采煤工作面形成獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng),需在相鄰工作面鄰近順槽巷之間留設(shè)一定尺寸的煤柱,形成了區(qū)段煤柱[8]。

從形成和留設(shè)看,區(qū)段煤柱主要有以下三個(gè)作用：一是支撐作用,有效支撐頂板,防止頂板下沉或垮落;二是護(hù)巷作用,有效保護(hù)順槽巷道,形成采煤工作面獨(dú)立的生產(chǎn)系統(tǒng);三是隔離作用,形成隔離帶,防止相鄰工作面或采空區(qū)積水、有害氣體涌入本工作面,或本工作面風(fēng)漏進(jìn)鄰近采空區(qū)。

因此,從區(qū)段煤柱的成因、作用以及應(yīng)力分布規(guī)律角度,理論上研究區(qū)段煤柱合理尺寸應(yīng)遵循以下原則。

1)實(shí)用性。煤柱尺寸必須滿足隔離和護(hù)巷作用,能夠有效地保護(hù)順槽巷道形成采面獨(dú)立的生產(chǎn)系統(tǒng),能夠形成隔離帶防止和鄰近工作面或采空區(qū)有裂縫貫通,要求煤柱中部不破壞，留有“彈性核”。

2)安全性。煤柱必須起到支撐性作用,能夠有效支撐頂板，嚴(yán)防自身被壓垮,要求煤柱必須有一定強(qiáng)度。

3)資源節(jié)約。要求煤柱在滿足上述原則的基礎(chǔ)上,尺寸盡可能最小。

3 區(qū)段煤柱計(jì)算

3.1 用寬度條件計(jì)算區(qū)段煤柱尺寸

使區(qū)段煤柱能夠保持穩(wěn)定條件:當(dāng)煤柱的上、下側(cè)塑性區(qū)寬度為x0,x1時(shí),煤體中央的彈性核寬度應(yīng)大于等于煤柱高度h的2倍,煤柱的寬度B應(yīng)滿足B≥x0+2h+x1。2h是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),應(yīng)建立煤柱的力學(xué)模型分析彈性核的臨界寬度l1。由文獻(xiàn)[9]中公式計(jì)算區(qū)段煤柱的合理寬度B為:

B≥x0+l1+x1.

(1)

3.2 區(qū)段煤柱塑性變形區(qū)寬度確定

區(qū)段煤柱塑性變形區(qū)寬度計(jì)算力學(xué)模型如圖2所示。

x0，x1-區(qū)段煤柱上、下側(cè)塑性變形區(qū)寬度；σy -塑性區(qū)應(yīng)力； τyx-頂?shù)装宸纸缑鎽?yīng)力； K， K′-彈性核與頂?shù)装褰缑嫦?、上部塑性區(qū)與彈性核交界面上的應(yīng)力集中系數(shù)；γ，H-上覆巖層的平均容重、煤層的埋深；px-支護(hù)設(shè)施等對(duì)煤壁沿x方向的約束力；τyx-剪切應(yīng)力；兩側(cè)塑性區(qū)與彈性核交界面所受水平擠壓應(yīng)力圖2 區(qū)段煤柱塑性變形區(qū)寬度計(jì)算力學(xué)模型Fig.2 Computational mechanics model of sectional coal pillar width of plastic deformation zone

由文獻(xiàn)[5]公式計(jì)算塑性區(qū)與頂?shù)装宸纸缑鎽?yīng)力σy和τyx是:

(2)

(3)

式中：σy為塑性區(qū)應(yīng)力，MPa；τyx為頂?shù)装宸纸缑鎽?yīng)力，MPa；h為煤柱高度，m；C0為煤柱與頂?shù)装宸纸缑娴恼辰Y(jié)力，MPa；φ0為內(nèi)摩擦角，°；px為支護(hù)設(shè)施等對(duì)煤壁沿x方向的約束力，MPa；λ為塑性區(qū)與彈性核區(qū)的側(cè)壓系數(shù),取0.3。

由文獻(xiàn)[9]公式計(jì)算區(qū)段煤柱下、上側(cè)塑性區(qū)寬度x1,x0:

(4)

(5)

式中：x0，x1為區(qū)段煤柱上、下側(cè)塑性變形區(qū)寬度，m；K為頂?shù)装褰缑嫦虏克苄詤^(qū)與彈性核交界面上的應(yīng)力集中系數(shù)，取2.5；K′為上部塑性區(qū)與彈性核交界面上的應(yīng)力集中系數(shù)，取3.5；γ為上覆巖層的平均容重，kN/m3；H為煤層的埋深，m。

3.3 區(qū)段煤柱彈性核破壞臨界寬度確定

建立如圖3所示力學(xué)模型。

圖3 區(qū)段煤柱彈性核臨界破壞寬度計(jì)算力學(xué)模型Fig.3 Computational mechanical model of critical failure width of elastic core of section coal pillars

彈性核(體)應(yīng)力分量:

(6)

(7)

(8)

區(qū)段煤柱彈性核破壞的臨界寬度:

(9)

式中:C為煤體粘聚力,MPa。

3.4 區(qū)段煤柱寬度確定

公式(1)確定的煤柱尺寸存在一定的局限性,只是單方面考慮了開采支承壓力這一靜態(tài)因素對(duì)煤柱的寬度和穩(wěn)定性的影響。沒有全面考慮巷道掘進(jìn)即開采時(shí)所受的擾動(dòng)和實(shí)際動(dòng)態(tài)因素對(duì)煤柱的影響。因此,基于此思想對(duì)煤柱計(jì)算公式進(jìn)行修正。煤礦在井下開采時(shí)煤柱兩側(cè)由于受采動(dòng)影響會(huì)形成一定寬度的松動(dòng)圈,松動(dòng)圈會(huì)使煤柱失去側(cè)向約束力,降低煤柱的強(qiáng)度及穩(wěn)定性,因此，確定煤柱尺寸時(shí)必須引進(jìn)掘進(jìn)影響因子α。

采煤方法及工藝的不同也會(huì)對(duì)煤柱產(chǎn)生不同的影響,所以確定煤柱的尺寸時(shí)必須引進(jìn)開采擾動(dòng)因子d的影響。

綜合以上,將公式(1)修正為:

B≥l1+αd(x1+x0) .

(10)

式中:d為開采擾動(dòng)影響因子,一般為1.5～3.0,取1.5;α為掘進(jìn)影響因子,取1.32。

根據(jù)峁底煤礦煤、巖層參數(shù)，h取3.1 m,C取1.86 MPa,φ取18°,C0取1.5 MPa,φ0取24°,γ取25 kN/m3,H取600 m,λ取0.3,K取2.5,K′取3.5。把數(shù)值代入式(4)、式(5),計(jì)算得:x0=6.298 m,x1=6.411 m,l1=3.972 m。

把以上值代入式(9),計(jì)算得:B≥28.92 m。

綜上,實(shí)際留設(shè)時(shí),煤柱尺寸應(yīng)取30 m。

4 基于數(shù)值模擬的煤柱尺寸驗(yàn)證

為確定峁底煤礦回采工作面區(qū)段煤柱的合理寬度,以10104工作面為工程背景,建立數(shù)值計(jì)算模型,根據(jù)煤層地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,共設(shè)計(jì)了3個(gè)計(jì)算模型,工作面區(qū)段煤柱的寬度分別為20 m，25 m和30 m,分別論證是否滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求,進(jìn)而確定回采工作面區(qū)段煤柱的合理寬度。

圖4 FLAC3D生成模型Fig.4 FLAC3Dgenerative model

圖5、圖6、圖7分別為三種不同寬度的區(qū)段煤柱在同一測(cè)點(diǎn)采動(dòng)影響前后的塑性區(qū)云圖。

圖5 20 m煤柱塑性區(qū)云圖Fig.5 Cloud map of plastic zone with 20-meter coal pillar

圖6 25 m煤柱塑性區(qū)云圖Fig.6 Cloud map of plastic zone with 25-meter coal pillar

圖7 30 m煤柱塑性區(qū)云圖Fig.7 Cloud map of plastic zone with 30-meter coal pillar

由圖5可以看出,當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為20 m時(shí),受10104工作面采動(dòng)影響前(5(a)),10105工作面運(yùn)輸順槽左幫破壞深度均為3 m,右?guī)推茐纳疃染鶠?.5 m；受采動(dòng)影響后(5(b)),10104工作面煤柱側(cè)破壞深度由3.5 m延伸到9 m,煤柱彈性區(qū)只剩2.5 m,小于煤柱高度的兩倍(6.2 m),頂板和巷道塑性區(qū)破壞很大，且煤柱上方的塑性破壞區(qū)發(fā)生貫通現(xiàn)象,煤柱上方巖層發(fā)生嚴(yán)重破壞,頂板極易發(fā)生離層,下區(qū)段工作面底板的塑性區(qū)破壞深度大約為9 m,底板破壞嚴(yán)重。

由圖6可以看出,當(dāng)煤柱寬度為25 m時(shí),受采動(dòng)影響前(6(a)),左右?guī)推茐纳疃染鶠?.5 m；受采動(dòng)影響后(6(b)),煤柱側(cè)破壞深度由2.5 m延伸到7.8 m,煤柱彈性區(qū)只剩4 m,小于煤柱高度的兩倍(6.2 m),頂板和巷道塑性區(qū)破壞很大，且煤柱上方的塑性破壞區(qū)發(fā)生貫通現(xiàn)象,表示煤柱上方巖層發(fā)生嚴(yán)重破壞,頂板極易發(fā)生離層,下區(qū)段工作面底板的塑性區(qū)破壞深度大約為7 m,底板破壞較為嚴(yán)重。

由圖7可以看出,當(dāng)煤柱寬度為30 m時(shí),受采動(dòng)影響前(7(a)),10104運(yùn)輸順槽左右?guī)推茐纳疃染鶠? m；受采動(dòng)影響后(7(b)),煤柱側(cè)破壞深度由2 m延伸到3.5 m,煤柱彈性區(qū)仍有12 m,大于煤柱高度的兩倍(6.2 m),頂板和巷道塑性區(qū)破壞較小，且煤柱上方巖層破壞區(qū)未發(fā)生貫通現(xiàn)象,上覆巖層所受采動(dòng)影響較小,發(fā)生整體離層現(xiàn)象可能性較小,下區(qū)段工作面底板的塑性區(qū)破壞深度大約為4.5 m,底板破壞相對(duì)較小。

由上述可知,當(dāng)煤柱寬度為20 m，25 m時(shí)煤柱與巷道圍巖處于失穩(wěn)狀態(tài),煤柱寬度為30 m時(shí)煤柱與巷道圍巖均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

在10104工作面軌道順槽距巷道口127 m處布置測(cè)站,采用十字布點(diǎn)法布置測(cè)點(diǎn),分別在頂?shù)装逯胁亢蛢蓭椭胁看怪毕锏辣诿嫣庛@直徑30 mm、深度400 mm的鉆孔,并將直徑32 mm、長(zhǎng)400 mm的木樁打入孔內(nèi)。測(cè)站位置如圖8所示。測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。圖10為巷道圍巖表面位移移近量與時(shí)間的變形曲線。

圖8 巷道表面位移測(cè)站位置Fig.8 Observation station position of surface displacement

圖9 巷道表面位移測(cè)點(diǎn)布置Fig.9 Observation station layout of surface displacement

(a) 頂?shù)装逡平?/p>

(b) 兩幫移近量圖10 巷道圍巖表面位移移近量與時(shí)間的變形曲線Fig.10 Deformation curve of convergence and time of surface displacement

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可得，隨著工作面推進(jìn),巷道頂板和兩幫的位移量增加,且以頂板下沉為主。其中，頂?shù)装宓淖畲笠平繛?90 mm,兩幫的最大移近量為230 mm。在距工作面50 m時(shí),頂?shù)装彘_始發(fā)生變形；當(dāng)距工作面距離30 m時(shí)，變形速度增加,且最大變形速度為15 mm/d。當(dāng)距工作面53 m時(shí),兩幫開始發(fā)生變形；當(dāng)距工作面距離32 m時(shí)，變形速度增加,最大變形速度為20 mm/d。觀測(cè)期間,煤柱側(cè)巷幫局部破碎,距回風(fēng)回采巷道15 m,距巷道底板1 m處，片幫深度達(dá)600 mm，寬750 mm,靠近煤柱側(cè)頂板局部破碎、剝落。

6 結(jié)論

1)結(jié)合理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果,10104工作面合理的煤柱寬度尺寸為30 m。

2)通過對(duì)其回采過程中的巷道位移變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè),得出巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?90 mm,兩幫最大移近量為230 mm。

3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，本文所留設(shè)煤柱是合理的。