段 龍
(臨汾宏大隆博煤業(yè),山西 臨汾 042100)
山西焦煤霍州煤電臨汾宏大隆博煤業(yè)目前主采2#煤層,埋深494~540 m,煤層厚度為3.4~4.2 m,平均3.8 m,煤層傾角0°~12°,平均6°,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,為穩(wěn)定可采煤層。如表1 所示,2#煤層上方依次為均厚1.3 m 的泥巖、均厚3.9 m 的粉砂巖及均厚5.4 m 的細(xì)粒砂巖,下方為均厚1.4 m 的泥巖和2.8 m 的中粒砂巖。
表1 2#煤層頂?shù)装鍘r性
以往2#煤層工作面設(shè)計(jì)區(qū)段煤柱尺寸為30 m,以均厚3.8 m、單個(gè)工作面走向長(zhǎng)度1000 m 計(jì)算,僅一條區(qū)段煤柱,浪費(fèi)約16.4 萬(wàn)t 煤炭資源,急需對(duì)區(qū)段煤柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化[1-5],提高煤炭資源回收率。
區(qū)段煤柱尺寸過(guò)大,會(huì)造成不必要的資源浪費(fèi),影響煤炭資源回收率;而煤柱尺寸過(guò)小,則煤柱支撐力不足,在受到多次擾動(dòng)后,極易造成煤柱失穩(wěn),引發(fā)安全事故。因此,合理的區(qū)段小煤柱尺寸,應(yīng)在保證煤炭資源回收率的同時(shí),還要維持煤柱本身的穩(wěn)定性[1-5]。如圖1 所示,合理的區(qū)段小煤柱尺寸可由下式計(jì)算。
圖1 區(qū)段小煤柱合理尺寸計(jì)算模型
如圖1 所示, 合理的區(qū)段煤柱尺寸X=X1+X2+X3。X1為工作面回采后區(qū)段煤柱在采空區(qū)側(cè)形成的塑性區(qū)范圍;X2為煤柱寬度富余量,一般為0.99~2.31 m;X3為錨桿支護(hù)的有效長(zhǎng)度,取2.0 m。其中X1可由極限平衡理論公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下:
式中:M為采高,3.8 m;A為修正系數(shù),0.4;C0為內(nèi)聚力,1.78 MPa;φ0為內(nèi)摩擦角,34.4°;K為極限平衡系數(shù),2.5;γ為容重,25 kN/m3;H為埋深,510 m;Pz為荷載,0.15 MPa。計(jì)算可得X1=2.71m,代入計(jì)算可得2#煤層區(qū)段煤柱的合理尺寸為5.7~7.02 m。
以2#煤層地質(zhì)條件為基礎(chǔ),借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型,模型尺寸長(zhǎng)×高=160 m×100 m,對(duì)模型下邊界及左右邊界均施加約束,上邊界施加12.4 MPa 的垂直應(yīng)力,等效于510 m 上覆巖層的自重應(yīng)力。以上述理論計(jì)算結(jié)果為依據(jù),分別對(duì)區(qū)段煤柱尺寸為5 m、6 m、7 m、8 m 進(jìn)行模擬。為避免邊界效應(yīng),在模型左右邊界各留40 m 的邊界實(shí)體煤,巷道斷面尺寸為寬×高=4.8 m×3.5 m。數(shù)值模擬結(jié)果如圖2。
圖2 不同尺寸煤柱塑性區(qū)示意圖
如圖2 所示,區(qū)段煤柱塑性區(qū)范圍與煤柱尺寸呈反比關(guān)系。當(dāng)煤柱尺寸為5 m 時(shí),煤柱僅在上端有一部分煤體處于彈性狀態(tài),大部分煤柱均處于塑性狀態(tài),此時(shí)區(qū)段煤柱支撐力??;當(dāng)煤柱尺寸為6 m 時(shí),煤柱彈性區(qū)范圍有所增大,占總面積的48%,但是煤柱大部分煤體仍處于塑性狀態(tài),尤其是區(qū)段煤柱中心區(qū)域仍為塑性區(qū),區(qū)段煤柱支撐力仍然不足;當(dāng)煤柱尺寸為7 m 時(shí),煤柱彈性范圍進(jìn)一步增大,占到總面積的62%,且區(qū)段煤柱中心區(qū)域煤體均處于彈性狀態(tài),表明煤柱支撐力較好;當(dāng)煤柱尺寸為8 m 時(shí),煤柱彈性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,占到煤柱總面積的71%,此時(shí)區(qū)段煤柱只有少部分煤體處于塑性狀態(tài),支撐能力大,但是過(guò)大的尺寸會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)。
如圖3 所示,不同尺寸的區(qū)段煤柱,巷道圍巖均為非對(duì)稱(chēng)變形,巷道頂板及煤柱側(cè)圍巖變形大于底板及實(shí)體煤側(cè)圍巖變形。當(dāng)煤柱寬度為5 m時(shí),巷道頂板變形量為頂?shù)装遄冃瘟康?6.4%,巷道煤柱側(cè)變形量占兩幫變形量的70.2%;當(dāng)煤柱寬度為6 m 時(shí),巷道頂板變形量為頂?shù)装遄冃瘟康?4.5%,巷道煤柱側(cè)變形量占兩幫變形量的70.5%;當(dāng)煤柱寬度為7 m 時(shí),巷道頂板變形量為頂?shù)装遄冃瘟康?2.8%,巷道煤柱側(cè)變形量占兩幫變形量的70.7%;當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí),巷道頂板變形量為頂?shù)装遄冃瘟康?2.3%,巷道煤柱側(cè)變形量占兩幫變形量的70.5%。數(shù)值模擬結(jié)果表明,隨著煤柱尺寸的增大,巷道頂板變形量明顯減小,巷道煤柱側(cè)及實(shí)體煤側(cè)變形量也明顯減小。
圖3 不同尺寸煤柱垂直應(yīng)力分布示意圖
綜合以上數(shù)值模擬所得到不同煤柱尺寸條件下區(qū)段煤柱塑性區(qū)范圍及巷道圍巖變形量變化情況,確定2#煤層區(qū)段煤柱合理尺寸為7 m。
以2-508 綜采工作面為工程背景進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。2-508 運(yùn)輸巷與鄰近工作面采空區(qū)之間留設(shè)7 m 寬區(qū)段煤柱,巷道斷面尺寸為寬×高=4.8 m×3.5 m。巷道支護(hù)方案如圖4,頂板錨桿選用Ф20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×900 mm,頂板錨索規(guī)格為Ф18.9 mm×7300 mm,間排距為2000 mm×1800 mm。幫錨桿選用Ф20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×900 mm。
圖4 巷道支護(hù)斷面圖(mm)
為了解區(qū)段煤柱尺寸為7 m 時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)效果,在2-508 運(yùn)輸巷超前開(kāi)切眼100 m 及200 m 位置布置測(cè)點(diǎn),對(duì)巷道頂?shù)装遄冃瘟?、兩幫變形量及頂板離層量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)如圖5。
如圖5 所示,隨著工作面的推進(jìn),巷道圍巖變形量及離層量均呈現(xiàn)先不變、后增大的變化趨勢(shì),最終測(cè)點(diǎn)1 所監(jiān)測(cè)到的巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?6 mm,兩幫變形量最大值為34 mm,頂板離層量?jī)H為21 mm;測(cè)點(diǎn)2 所監(jiān)測(cè)到的巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?5 mm,兩幫變形量最大值為41 mm,離層量最大值僅為17 mm?,F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,當(dāng)區(qū)段煤柱設(shè)置為7 m 時(shí),巷道圍巖變形量較小,頂板巖層并未產(chǎn)生明顯的離層現(xiàn)象,可以滿(mǎn)足安全生產(chǎn)需求。
圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)
采用理論分析及數(shù)值模擬的方案,對(duì)工作面區(qū)段煤柱的合理尺寸進(jìn)行了分析,確定合理的區(qū)段小煤柱尺寸為7 m,并在隆博煤業(yè)2-508 綜采工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)2-508 運(yùn)輸巷圍巖變形量及頂板離層量的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),結(jié)果表明當(dāng)區(qū)段煤柱設(shè)置為7 m 時(shí),巷道圍巖變形量不大,且未出現(xiàn)明顯的頂板離層現(xiàn)象,可以滿(mǎn)足安全生產(chǎn)需求。