孫曉龍,宋家樂,賀慶豐,孫利輝,2,胡邦國
(1.河北工程大學 礦業(yè)與測繪工程學院,河北 邯鄲 056038;2.河北省煤炭資源綜合開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,河北 邯鄲 056038)
隨著我國煤炭資源大量開采,部分地區(qū)煤炭資源已近枯竭,煤炭為不可再生能源,提高煤炭資源回收率是亟待解決的問題。窄煤柱沿空掘巷相比寬煤柱護巷方式,能有效提高煤炭資源回收率,確定合理的窄煤柱寬度是保障沿空掘巷順利實施的重要因素[1-3]。國內(nèi)外專家學者對沿空掘巷合理的窄煤柱寬度進行了大量研究。張文才等[4]通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等方法,研究了采空區(qū)邊緣煤體應力分布,分析了不同寬度煤柱巷道的穩(wěn)定性,確定窄煤柱合理寬度為5 m。方剛等[5]根據(jù)Bieniawski 煤柱強度理論及相關判別指標,確定了留設的煤柱寬度。原育鋒等[6]通過力學狀態(tài)分析、理論計算和數(shù)值模擬,得到了不同寬度煤柱下的應力場和位移場分布特征,確定合理的煤柱寬度為5m。李來源[7]通過理論計算和數(shù)值模擬,得到了不同煤柱寬度下的巷道圍巖變形及塑性區(qū)分布規(guī)律,確定了合理的煤柱寬度。胡大沖等[8]運用極限平衡理論和模擬分析,認為合理的煤柱寬度為15 m。姚福艷等[9]通過數(shù)值模擬方法,獲得了不同寬度護巷煤柱內(nèi)的支承應力變化規(guī)律。
基于上述研究成果,以優(yōu)化沙曲一號煤礦4305 工作面沿空掘巷煤柱寬度為工程背景,通過理論計算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測的研究方法,計算了護巷煤柱塑性區(qū)寬度,分析了不同寬度煤柱時的巷道圍巖位移場分布規(guī)律,最終確定了合理的沿空掘巷窄煤柱寬度。
4305 工作面位于+400 水平,北面為4306 工作面采空區(qū)。工作面地質(zhì)構造簡單,煤層傾角為3°~11°,平均為8°。工作面煤層厚度為3.9~4.2 m,平均為4.1 m。直接頂為中砂巖,厚度約4.91 m,基本頂為泥巖,厚度約2.0 m,直接底為中砂巖,厚度約1.2 m,基本底為粉砂巖,厚度約1.6 m。工作面傾向布置,走向長度為174 m,傾向可采平均長度為396 m。4305 膠帶巷位于5305 膠帶巷以里,原4305 采空區(qū)以里,設計5305 膠帶巷掘進至原4305 工作面開切眼位置后,向上穿層掘進至4 號煤,形成4305 膠帶巷,該巷道沿4306 工作面采空區(qū)邊緣掘進。
巷道斷面為矩形,凈斷面尺寸4.4 m×4.1 m(寬×高),采用錨網(wǎng)索梯聯(lián)合支護,頂部錨桿為φ22 mm×2 400 mm 的螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×700 mm;幫部錨桿為φ20 mm×2 000 mm 的螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×700 mm;頂部錨索采用φ21.8 mm×6 200 mm 左旋預應力鋼絞線,間排距為1 600 mm×1 400 mm,錨索布置為五花布置(3 根、2 根交錯);頂板護表鋼帶梁采用W鋼帶,幫梯子梁使用φ16 mm 的圓鋼;煤柱側幫部錨索規(guī)格φ17.8 mm×4 200 mm,間排距1 500 mm×1 400 mm,同排錨索使用1.7 m 長的16 號槽鋼連接;頂部錨桿托盤配套使用規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm 的碳鋼Q235A3 托盤,幫部錨桿托盤配套使用規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm 的碳鋼Q235A3 托盤,頂、幫部錨索均配套使用規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm 鋼板制作的配套墊板(強力型)。
根據(jù)小變形彈塑性理論及極限平衡理論,窄煤柱寬度表示為:
式中:Y 為窄煤柱寬度,mm;R 為4305 膠帶巷開挖后的塑性區(qū)寬度,mm;R0為上區(qū)段工作面周邊煤體的塑性區(qū)寬度,mm;a 為掘進影響系數(shù),取1.2;d 為開采影響系數(shù),取1.1。
R、R0表示為:
式中:m 為巷道高度;λ 為側壓系數(shù);C0、φ0分別為煤層與底板界面處的粘結力、內(nèi)摩擦角;k 為巷道所在位置的應力集中系數(shù);γ 為上覆巖層平均容重;H 為開采深度;K 為回采引起的應力集中系數(shù);Px為巷道支架對煤幫的支護強度;M 為煤層開采厚度。
將表1 中數(shù)值帶入,計算得R0=5.8 m,R=1.2 m,窄煤柱合理寬度最小為7.8 m,取整為8.0 m。
表1 4305 工作面相關參數(shù)Table 1 Relative parameters of 4305 working face
根據(jù)4305 工作面實際地質(zhì)條件,運用FLAC3D 建立尺寸為 420 m×200 m×160 m 的模型。4305 工作面長180 m。模型上邊界施加邊界載荷p=10 MPa,以模擬上覆巖層自重,模型其他3個邊界均為位移約束。煤柱寬度設計5、8 和15 m三種方案,在相同支護方式下分別模擬不同煤柱寬度的沿空巷道圍巖變形量。
4305 膠帶巷道在掘進和回采階段圍巖變形情況如圖1、圖2 所示。
由圖1 可知,在巷道掘進期間,留設煤柱寬度
圖1 掘進期間巷道圍巖變形曲線Fig.1 Deformation curve of surrounding rock during mining
由圖2 可知,在回采期間,留設煤柱寬度5、8、15 m 時,巷道頂?shù)装逡平糠謩e為445、172、141 mm,兩幫移近量分別為1 242、426、313 mm。受采動影響,煤柱寬度5 m 時,巷道變形量很大,特別是煤柱幫移近量達到了897 mm,此時煤柱塑形區(qū)與4306 采空區(qū)貫通,煤柱失去承載能力,導致巷道變形較大,巷道不穩(wěn)定,煤柱寬度8 m、15 m 時,巷道變形量相差不大,均可控,且煤柱內(nèi)仍有一定范圍的煤體處于彈性狀態(tài),可以起到有效支承上覆巖層的作用,利于巷道穩(wěn)定。
圖3 掘進階段巷道表面移近量Fig.3 Surface movement of roadway in mining
從理論計算和數(shù)值模擬結果來看,8 m 和15 m寬煤柱均能保障巷道掘進和工作面回采的安全,巷道變形可控,為提高煤炭資源回收率,確定合理的煤柱寬度為8 m。5、8、15 m 時,巷道頂?shù)装逡平糠謩e為273、108、89 mm,兩幫移近量分別為504、261、203 mm,除煤柱寬度5 m 時,兩幫變形較大外,其余變形量均不大,說明巷道圍巖受掘進擾動影響較小。
圖2 回采期間巷道圍巖變形曲線Fig.2 Deformation curve of surrounding rock during mining
為驗證以上研究結果是否合理,4305 膠帶巷采用8 m 煤柱沿空掘巷,觀測其在掘進及回采階段表面移近量,結果如圖3、圖4 所示。
從圖3 可以看出,在巷道掘進階段,巷道圍巖穩(wěn)定后,兩幫移近量為261 mm,頂?shù)装逡平繛?19 mm,巷道變形量不大。
從圖4 可以看出,在工作面回采階段,兩幫最大移近量為443 mm,頂?shù)装遄畲笠平繛?90 mm,均在可控范圍內(nèi),巷道穩(wěn)定性較好。
(1) 通過理論計算確定煤柱寬度為7.8 m,運用FLAC3D 數(shù)值模擬,以相同支護方式對5、8、15 m 寬度煤柱下巷道圍巖位移場分布做進一步分析,認為選用8 m 寬煤柱,巷道在掘進和回采期間圍巖變形可控。
圖4 回采階段巷道表面移近量Fig.4 Surface movement of roadway in recovery mining
(2) 通過觀測4305 膠帶巷在掘進和回采階段的圍巖變形情況,認為巷道圍巖變形均可控,留設8 m 寬煤柱既能保障巷道在掘進及回采期間的安全,也提高了煤炭資源的回收率。