蘇偉偉,田世祥,馬瑞帥,林華穎,余婕,伍小莎

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

沿空掘巷是一種改善回采巷道受力環(huán)境,降低巷道維護成本,提高煤炭資源回采效率的有效方法[1-4].目前,沿空掘巷過程中巷道布置方式主要有2種,分別是寬煤柱護巷與窄煤柱護巷[5-6].預(yù)留寬煤柱護巷時,由于煤柱存在彈性帶,這樣既提高了煤柱的承載能力,又有利于巷道的維護.但是,預(yù)留煤柱過寬又會引起側(cè)向支承壓力分布范圍變大,可能使煤柱或者煤巷受到峰值應(yīng)力的作用,從而降低巷道的穩(wěn)定性.而且,由于煤柱的不可回采性,寬煤柱護巷會造成大量煤炭資源的浪費[7].預(yù)留窄煤柱護巷時,既可以維持巷道的穩(wěn)定性,又可以最大化回采煤炭資源[8].但是,預(yù)留窄煤柱護巷時煤柱需要隔離上采面的采空區(qū),煤柱寬度不能太小.因此,合理的窄煤柱寬度是保證煤礦安全生產(chǎn)和煤炭高效回采的基礎(chǔ).

近年來,不少學(xué)者在確定沿空掘巷窄煤柱寬度方面開展了研究.姜耀東等[9]通過理論分析和數(shù)值模擬的方法對黃巖匯煤礦15111工作面褶皺構(gòu)造應(yīng)力區(qū)軌道巷開展相應(yīng)研究,得出構(gòu)造應(yīng)力區(qū)窄煤柱合理寬度為6.5 m.柏建彪等[10]通過數(shù)值模擬和理論分析的方法發(fā)現(xiàn)在合理的錨桿支護條件下,軟煤中窄煤柱的合理寬度為4～5 m,中硬煤中窄煤柱的合理寬度是3～4 m.孔令海等[11]通過高精度微地震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測塔山煤礦15 m以上特厚煤層綜放工作面巖層運動規(guī)律,將所得結(jié)果結(jié)合巖石力學(xué)和巖層運動分析,得出側(cè)向支承壓力峰值與巷幫的距離,綜合考慮煤柱避開側(cè)向支承壓力峰值及其他因素,最終確定煤柱寬度20～25 m.上述研究成果在煤礦安全生產(chǎn)和煤炭高效回采方面有重大意義,但是結(jié)合上采空區(qū)側(cè)幫卸壓帶范圍綜合判斷沿空掘巷窄煤柱合理寬度的研究卻鮮有報道.

基于以上分析,本文采用連續(xù)流量法,以河南薛湖煤礦2306運輸巷為試驗對象,依據(jù)連續(xù)測定打鉆過程中采空區(qū)側(cè)方煤體涌出的瓦斯流量來確定卸壓帶寬度,通過理論計算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法得出沿空掘巷窄煤柱合理寬度.

1 卸壓帶寬度確定

沿空掘巷過程中留設(shè)窄煤柱時,由于受到臨近采區(qū)采動的影響,采空區(qū)邊緣煤層垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)“三帶”劃分[12],依次為卸壓帶、集中應(yīng)力帶、原始應(yīng)力帶.當(dāng)沿空掘巷預(yù)留巷道位于卸壓帶時,巷道變形量小,圍巖受力情況較為穩(wěn)定,有利于巷道的掘進與維護[13].因此判斷采空區(qū)邊緣煤層卸壓帶范圍對確定沿空掘巷窄煤柱寬度意義重大.在集中應(yīng)力的作用下,集中應(yīng)力帶的煤體骨架被壓縮,張開的裂隙閉合,此部分煤體盡管含有大量的瓦斯但是不易釋放到外界.卸壓帶內(nèi)煤體由于受到采動的影響,煤體滲透率增加,大量瓦斯涌向外界,此部分煤體瓦斯含量急劇減小.因此,當(dāng)鉆機鉆到卸壓帶與集中應(yīng)力帶的過渡段時,鉆孔瓦斯流量達到最大值[14].基于此,本文運用線性突出預(yù)測裝置連續(xù)測定薛湖煤礦2306運輸巷采空區(qū)邊緣煤層15 m范圍內(nèi)的鉆孔瓦斯流量大小,以期判定采空區(qū)邊緣煤層卸壓帶范圍的大小.

1.1 試驗設(shè)備與試驗步驟

線性突出預(yù)測裝置由16個部分組成(見圖1),該裝置可連續(xù)測得工作面前方的瓦斯流量,為測定采空區(qū)邊緣煤層卸壓帶范圍提供了一種新的方法,即連續(xù)流量法.薛湖煤礦2306運輸巷為原始開挖巷道,煤體暴露時間120 d以上,該巷道應(yīng)力變化趨于穩(wěn)定,符合相應(yīng)試驗條件.試驗過程中,首先在預(yù)定位置施工一個直徑94 mm長度1 m的鉆孔;然后通過手壓泵向封孔膠囊中注水,注水壓力為3 MPa,直至膠囊完全展開;再安裝流量傳感器與位移傳感器,同時運行數(shù)據(jù)接收程序;后續(xù)改用直徑為42 mm的鉆桿持續(xù)鉆進至2306運輸巷采空區(qū)邊緣煤層15 m;再停止數(shù)據(jù)接收程序,運行數(shù)據(jù)處理程序.

1.2 試驗結(jié)果分析

運用該試驗裝置連續(xù)測定薛湖煤礦2306運輸巷15 m范圍的初始瓦斯流量,結(jié)果如圖2所示.1#鉆孔打鉆過程中由于鉆進速度過快,瓦斯流量信號不能及時傳到信號接收器,導(dǎo)致所測定的卸壓帶寬度較大,最終測定的卸壓帶寬度為9.5～10 m, 如圖2a所示.鑒于1#鉆孔由于鉆進速度而產(chǎn)生誤差,2#鉆孔在打鉆時放緩鉆進速度,最終測定的卸壓帶寬度為9～10 m,如圖2b所示.

圖2 鉆孔瓦斯流量隨鉆進深度變化趨勢

為進一步驗證所測卸壓帶寬度的準(zhǔn)確性,同時檢驗不同封孔深度下的瓦斯抽采效果,后續(xù)繼續(xù)施加3個鉆孔,其中1#與2#鉆孔的封孔深度為10 m,3#,4#以及5#鉆孔封孔深度采用國家標(biāo)準(zhǔn)最終確定為8 m.封孔后對各個鉆孔50 d內(nèi)的瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采率進行測定,結(jié)果如圖3所示.

圖3 瓦斯抽采效果

由圖3可知：當(dāng)封孔深度為8 m時,平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為25.13%,50 d以后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)小于20%;當(dāng)封孔深度為10 m時,平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為53.68%,是封孔深度為8 m時的2倍多,且50 d后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)依舊大于30%,這說明封孔深度為10 m時可實現(xiàn)瓦斯的持續(xù)性抽采.當(dāng)封孔深度為8 m時,平均瓦斯抽采量為0.081 m3/min,50 d后瓦斯抽采量保持在0.049 m3/min左右;封孔深度為10 m時,平均瓦斯抽采量為0.233 m3/min,50 d后瓦斯抽采量保持在0.182 m3/min附近.分析得知連續(xù)流量法測定的卸壓帶寬度是準(zhǔn)確可靠的,即沿空掘巷應(yīng)布置在距上區(qū)段采空區(qū)0～10 m.

2 窄煤柱寬度

2.1 理論計算

沿空掘巷掘進過程中留設(shè)的煤柱寬度,不僅要起到隔離采空區(qū)的作用,同時也應(yīng)該保有一定的強度,能承擔(dān)上覆巖層載荷.從提高資源利用率的角度考慮,沿空掘巷時通常留設(shè)一定寬度的窄煤柱,為保證所留設(shè)窄煤柱的支撐強度需對沿空巷道加以錨桿支護.根據(jù)極限平衡理論,沿空掘巷窄煤柱寬度的計算公式為

B=X1+X2+X3.

(1)

式中:B為煤柱寬度,m;X1為上區(qū)段開采后于采空側(cè)煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度,m;X2為錨桿長度,取1.5 m;X3為考慮到煤層較厚而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù),按X1與X2的和的30%～50%計算.其中

(2)

式中:M為煤層厚度,取3 m;A為側(cè)壓系數(shù),取0.33;φ為煤層界面的內(nèi)摩擦角,取20°;K為應(yīng)力集中系數(shù),取1.7;γ為巖層的平均容重, 取25 kN/m3;H為煤巷埋藏深度,取700 m;C為煤層界面黏結(jié)力,取1.2 MPa;P為錨桿所提供的支護阻力,取0.25 MPa.

依據(jù)條件計算可得,X1=2.158 m,從而X3為1.097～2.195 m,由此可得B為4.751～5.853 m.為使錨桿段處于穩(wěn)定的煤層中,最終確定的煤柱寬度為5 m.

2.2 數(shù)值模擬

FLAC3D數(shù)值模擬被廣泛應(yīng)用于各種彈塑性破壞與塑性流動的研究中[15-16].為進一步驗證上述窄煤柱寬度的合理性,根據(jù)薛湖煤礦實際地質(zhì)概況,設(shè)計了煤柱寬度分別為3,5,7,9 m的4個方案,運用FLAC3D建立相應(yīng)數(shù)值模型,對其沿空掘巷窄煤柱的合理寬度進行分析.

2.2.1 煤柱寬度與應(yīng)力場關(guān)系

4種不同煤柱寬度與應(yīng)力場的關(guān)系如圖4所示.

圖4 不同煤柱寬度與垂直應(yīng)力關(guān)系

由圖4可知:由于開挖煤巷處于卸壓帶范圍,煤巷圍巖所受應(yīng)力較小,未受到集中應(yīng)力的作用,有利于巷道的掘進與維護.在煤巷掘進過程中,上覆巖層載荷并不會對處于卸壓帶內(nèi)的煤柱造成很大影響,上覆巖層載荷會逐漸轉(zhuǎn)移到實體煤幫側(cè),此時實體煤幫側(cè)均出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域,但是實體煤幫側(cè)所受集中應(yīng)力的大小與應(yīng)力集中區(qū)域的范圍并無明顯差異.煤柱寬度為3 m時,煤柱受到上采區(qū)及煤巷掘進時的采動影響,煤柱兩側(cè)發(fā)生塑性破壞,此時煤柱寬度較小,煤柱所受應(yīng)力分布均勻,煤柱被塑性區(qū)貫通不能起到很好的承壓效果.隨著煤柱寬度的增加,煤柱內(nèi)部開始出現(xiàn)“彈性核”,此時煤柱的承載能力大大加強.煤柱寬度為5～7 m 時“彈性核”出現(xiàn)在煤柱的中央?yún)^(qū)域,煤柱內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)“馬鞍形”分布,加大了煤柱對上覆載荷的承載能力.當(dāng)煤柱寬度為9 m時,煤柱內(nèi)部的“彈性核”向上采區(qū)采空側(cè)轉(zhuǎn)移,由于煤柱采空區(qū)側(cè)此前已受到塑性破壞,加大了煤柱失穩(wěn)破壞的可能性.綜上所述,煤柱合理寬度應(yīng)留設(shè)在5～7 m.

2.2.2 煤柱寬度與位移場關(guān)系

為進一步研究煤柱寬度與位移場之間的關(guān)系,在4種設(shè)計方案下對煤柱向上采面采空區(qū)以及煤巷內(nèi)的位移情況進行模擬,模擬結(jié)果如圖5所示.

圖5 不同煤柱寬度與煤巷水平位移關(guān)系

由圖5可知:煤柱內(nèi)部的煤體在煤巷掘進及上覆巖層載荷的作用下均會向煤柱兩側(cè)產(chǎn)生一定距離的位移,且向煤巷側(cè)的位移較向采空區(qū)側(cè)的位移大.當(dāng)煤柱寬度為3 m時,煤柱向煤巷側(cè)位移的峰值為120 mm.煤柱寬度由3 m增加到5 m時,煤柱向煤巷側(cè)的位移峰值增加到200 mm,增加幅度高達66.66%.煤柱寬度為7 m時,煤柱向煤巷側(cè)位移峰值為250 mm,此時峰值位移的增加幅度為25 %.煤柱寬度增加至9 m,煤柱向煤巷側(cè)的位移峰值基本保持穩(wěn)定.由此發(fā)現(xiàn),隨著煤柱寬度的增加,煤柱向煤巷側(cè)位移峰值增幅呈現(xiàn)由高到低的變化規(guī)律.同樣分析可得到煤柱向采空區(qū)側(cè)的位移峰值也呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律.因此選取位移峰值增幅趨于穩(wěn)定時的煤柱寬度作為合理煤柱寬度,即沿空掘巷合理窄煤柱寬度為5～7 m.

2.2.3 煤柱寬度與巷道圍巖變形量關(guān)系

煤柱寬度變化時,煤巷圍巖變形量也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化.4種不同煤柱寬度下煤巷圍巖變形量的模擬結(jié)果如圖6所示.

由圖6可知:煤柱寬度與巷道圍巖變形量呈正相關(guān),且底板變形量受煤柱寬度影響很小.當(dāng)煤柱寬度為3～5 m時,頂板變形量的增量為24 mm;煤柱寬度由5 m增加到7 m時,頂板變形量增加迅速,增量為44 mm;后續(xù)隨著煤柱寬度的增加,頂板變形量的增量開始緩慢減小,煤柱寬度為9 m時頂板變形基本穩(wěn)定.煤柱寬度為3～5 m時,實體煤幫變形量增加緩慢,只從151 mm增加到170 mm;后續(xù)隨著煤柱寬度的增加,實體煤幫變形量快速增加最后趨于穩(wěn)定.煤柱寬度由3 m增加至5 m時,窄煤柱變形量呈線性增加,從107 mm增加到146 mm；當(dāng)煤柱寬度繼續(xù)增至7 m,窄煤柱變形量增加到176 mm；煤柱寬度為7～9 m時窄煤柱變形量基本趨于穩(wěn)定.根據(jù)煤巷圍巖變形量與煤柱寬度的關(guān)系,綜合考慮煤柱寬度應(yīng)位于5～7 m.

圖6 不同煤柱寬度與煤巷圍巖變形量關(guān)系

根據(jù)上述分析,當(dāng)窄煤柱寬度為5～7 m時,窄煤柱不僅落在卸壓帶內(nèi),而且存在“彈性核”,具有承載上覆巖層載荷的強度,圍巖變形量較小,同時零位移區(qū)域相對較大.從煤炭資源利用率的角度出發(fā),最終確定沿空掘巷窄煤柱合理寬度為5 m.

2.3 現(xiàn)場驗證

為驗證窄煤柱寬度為5 m時的合理性,在薛湖煤礦2306運輸巷掘巷期間,在巷道頂?shù)装寮皟蓭桶仓梦灰苽鞲衅?分別觀察30 d內(nèi)煤柱兩幫與頂?shù)装逦灰魄闆r,如圖7所示.

圖7 巷道變形曲線

由圖7可知:20 d后巷道變形趨于穩(wěn)定,且頂?shù)装迮c煤柱兩幫最大變形量分別是69,78 mm,說明上述確定的窄煤柱寬度是合理的.

3 結(jié)論

1)采用連續(xù)流量法測得的卸壓帶寬度為9～10 m,且封孔深度為10 m時可實現(xiàn)瓦斯的連續(xù)線性抽采.

2)由煤柱寬度與應(yīng)力場分布、位移場分布、巷道圍巖變形間的關(guān)系以及卸壓帶范圍,最終確定沿空掘巷合理窄煤柱寬度為5 m.

3)采用連續(xù)流量法測定煤巷側(cè)幫卸壓帶寬度時,所選試驗區(qū)域未在構(gòu)造影響范圍內(nèi).因此,此方法是否適用于構(gòu)造影響范圍內(nèi)有待進一步研究.