馬金錄
(鄭州煤炭工業(yè)(集團) 楊河煤業(yè)有限公司,河南 新密 452382)
無煤柱護巷技術由于巷道布置在應力降低區(qū),巷道容易維護、提高成巷速度、降低煤炭損失,是目前煤礦廣泛使用的安全高效的巷道留設方法。 無煤柱護巷分2種形式,即沿空留巷、留窄小煤柱沿空掘巷,由于煤柱能夠阻隔采空區(qū)的水與有害氣體的串入,留窄小煤柱沿空掘巷[1]是煤礦尤其是水或瓦斯賦存豐富的煤礦最為常見的無煤柱護巷方法,其中煤柱寬度的留設與巷道內(nèi)設計是該方法的關鍵[2],雖然巷道布置在采空區(qū)邊緣的應力降低區(qū)內(nèi),改變了原有的應力平衡[3],但是對應力場的擾動較輕,有利于巷道的安全。煤柱的穩(wěn)定決定了巷道圍巖的穩(wěn)定性,合理的煤柱尺寸[4-6]對于巷道穩(wěn)定性、煤炭回收率以及工作面的安全接替具有重要意義[7-9]。本文以某礦專用回風巷為背景,通過理論計算確定煤柱寬度的留設范圍,結(jié)合數(shù)值模擬的方法對留設不同寬度的煤柱時的應力、位移分布規(guī)律及安全穩(wěn)定性進行分析,對比確定煤柱的最佳寬度,為工程實踐提供參考。
某礦相對瓦斯涌出量為11 m3/t,屬于高瓦斯礦井,1101工作面主采厚2.1~4.2 m(平均厚3.2 m)的2號煤層,煤層結(jié)構(gòu)簡單,頂板為細砂巖,底板為粉砂巖。綜合該礦煤層條件分析,確定沿空掘進的專用回風大巷位于西大巷軌道巷與1101工作面之間寬40 m的保護煤柱內(nèi),沿2號煤層底板掘進的巷道,專用回風巷服務年限較長,巷道距采空區(qū)距離選取較為關鍵。專用回風巷位置如圖1所示。
圖1 專用回風巷位置
煤柱中塑性區(qū)的寬度即支承壓力峰值與煤壁的距離是小煤柱寬度確定的前提,根據(jù)其寬度進而可以確定煤柱寬度的范圍,利用經(jīng)驗公式計算支承壓力峰值距煤壁的距離B:
B=15-0.475f0-0.16RC-0.2α+1.6m+1.7h
(1)
式中,f0為煤層堅固性系數(shù),取2;RC為頂板巖石單向抗壓強度,取40 MPa;α為煤層傾角,取10°;m為采高,取3.2 m;h為煤層深度,取1 km。
將各參數(shù)代入式(1)計算得,B=16.04 m。
采空區(qū)側(cè)煤體中在工作面開采后產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度x0為:
(2)
式中,m為煤層厚度,取3.2 m;A為側(cè)壓系數(shù),取2.5;φ0為煤體的內(nèi)摩擦角,取30°;k為應力集中系數(shù),取3.5;ρ為上覆巖層平均密度,取 3.5 t/m3;h為煤層埋深,取1 000 m;c為煤體的黏聚力,取1.2 MPa;p為支架對煤幫的阻力,取 0.1 MPa。
計算得到x0=15.03 m。
綜合2種理論計算得出的煤柱寬度臨界寬度可知,15.03 m是小煤柱最大留設寬度,此時能夠使得巷道處于應力降低區(qū)內(nèi),避免支承壓力峰值。
根據(jù)掘進巷道地質(zhì)狀況,得出模擬巖層力學參數(shù),見表1。
表1 模擬巖層力學參數(shù)
利用FLAC3D模擬沿1101工作面采空區(qū)邊緣留設小煤柱沿空掘巷,研究煤柱和專用回風巷的穩(wěn)定性。模擬煤層厚3.2 m,直接頂和基本頂厚度分別為6、9 m,直接底和基本底厚度分別為2.4、6.4 m,上覆和下伏巖層各取20 m。將專用回風巷左側(cè)20 m和右側(cè)30 m煤體劃分為1.0 m×0.5 m(寬×高,以下同)塊體,直接頂劃分為1.0 m×0.6 m塊體,基本頂劃分為1.0 m×1.5 m塊體,直接底劃分為1.0 m×0.8 m塊體,基本底劃分為1.0 m×1.6 m塊體;將另兩側(cè)煤體劃分為2.0 m×0.5 m塊體,直接頂劃分為2.0 m×0.6 m塊體,基本頂劃分為2.0 m×1.5 m塊體,直接底劃分為2.0 m×0.8 m塊體,基本底劃分為2.0 m×1.6 m塊體。模型尺寸為188 m×67.5 m,其底部邊界沿垂直方向固定,而左右邊界沿水平方向固定,如圖2所示。
圖2 數(shù)值模擬模型
根據(jù)理論分析結(jié)果,設計窄煤柱寬度小于15.03 m的7種方案進行選優(yōu):方案①—方案⑦煤柱寬度分別為3、4、5、6、8、10、15 m。
當在7種不同煤柱寬度下,巷道掘進過程中,沿煤柱寬度方向的應力分布如圖3所示,煤柱寬度與垂直應力的關系如圖4所示。
圖3 沿煤柱寬度方向垂直應力分布
圖4 煤柱寬度與垂直應力的關系
由圖3、圖4可知,煤柱的寬度對垂直應力大小及其分布具有顯著影響,當煤柱寬度大于4 m時,煤柱寬度與垂直應力呈非線性增長,隨著煤柱寬度的增加,垂直應力增大,但增大幅度逐漸降低;當煤柱寬度為4 m時垂直應力峰值為16.71 MPa,當煤柱寬度為15 m時則達到 31.1MPa,煤柱的穩(wěn)定受煤柱內(nèi)垂直應力的影響,垂直應力峰值越大越不利于煤柱的穩(wěn)定;當煤柱寬度比較小時如3 m,其垂直應力峰值為19.27 MPa,較煤柱為4 m時的應力峰值大。由圖4可以看出,垂直應力最小值出現(xiàn)在煤柱寬度為4~5 m時,此時最有利于煤柱的穩(wěn)定。當煤柱寬度超過10 m,垂直應力峰值基本穩(wěn)定。
峰值點距煤柱幫距離與煤柱寬度呈正相關,當煤柱寬度小于6 m時,曲線呈下凹狀,該距離與煤柱寬度呈正相關,但其增加幅度較小,當煤柱寬度大于6 m時,峰值距煤柱幫得距離隨寬度的增加呈近似線性增加,當煤柱寬度大于10 m時,增加的趨勢逐漸放緩,如圖5所示。
圖5 煤柱寬度與峰值距煤柱幫距離的關系
7種不同寬度煤柱情況下,巷道掘進期間煤柱內(nèi)水平位移分布如圖6所示,煤柱寬度與其表面位移的關系如圖7所示。其中,向采空區(qū)內(nèi)側(cè)位移用負值表示,向巷道內(nèi)位移用正值表示。
圖6 掘進時不同寬度煤柱內(nèi)的水平位移分布
由圖6、圖7可以看出,當煤柱寬度小于8 m時,煤柱內(nèi)向巷道內(nèi)的位移與煤柱寬度呈正相關,即水平位移隨煤柱寬度的增大而增大,當煤柱寬度大于8 m時,二者呈負相關。當煤柱寬度大于10 m時,煤柱內(nèi)向巷道內(nèi)的位移基本趨于穩(wěn)定。3 m寬度煤柱表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定變形趨勢;4~5m寬度煤柱有較小的向巷道內(nèi)位移量;6~9 m寬度煤柱的向巷道內(nèi)位移量增長迅速且呈近似線性增長,10~15 m寬度煤柱向巷道內(nèi)的位移變化雖小,但明顯大于4~5 m寬度煤柱寬時的向巷道內(nèi)位移量。
圖7 掘巷期間煤柱寬度與其表面位移的關系
綜上所述,通過對不同煤柱寬度下工作面沿空掘巷進行模擬分析,綜合對比分析應力及位移分布,確定4~5 m為沿空留巷窄小煤柱的最佳寬度。
(1)根據(jù)采煤工作面相關參數(shù),基于理論計算確定沿空掘巷小煤柱寬度最大為15.03 m。
(2)當煤柱寬度為4~5 m時,煤柱內(nèi)垂直應力峰值最??;當煤柱寬度大于10 m時,垂直應力峰值基本趨于穩(wěn)定。煤柱向巷道內(nèi)的位移相對較小且煤柱中部位移穩(wěn)定,煤柱向巷道內(nèi)的位移峰值為煤柱寬度為8 m處,當煤柱寬度大于10 m時,煤柱向巷道內(nèi)位移趨于穩(wěn)定。
(3)沿空掘巷留設小煤柱寬度范圍為4~5 m。
相似地質(zhì)條件下采用以上小煤柱留設方式,能取得較好的應用效果。