馬菲菲 邢 永
(棗莊大興礦業(yè)有限責(zé)任公司,山東 棗莊 277319)
采用長壁工作面回收煤炭資源時(shí),相鄰工作面間的煤柱寬度以往多在20 m左右,造成資源的浪費(fèi)。在不影響安全生產(chǎn)的條件下,如何減少煤柱留設(shè)的寬度,一直是研究的熱門話題。張震等[1]采用CT系統(tǒng),建立了電磁波衰減與裂隙發(fā)育、應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系;張后全等[2]對超前區(qū)段煤柱錨桿軸力實(shí)測,認(rèn)為錨桿軸力的峰值對應(yīng)著區(qū)段煤柱破碎區(qū);梁冰等[3]采用損傷變量模型,建立了煤柱尺寸與損傷變量的對應(yīng)關(guān)系,認(rèn)為煤柱的寬高比影響煤柱穩(wěn)定性,兩者正相關(guān);涂敏等[4]建立了煤柱塑性區(qū)理論公式,分析了采深、煤柱高度、工作面長度等參數(shù)對煤柱寬度的影響,據(jù)此設(shè)計(jì)了區(qū)段煤柱的控制方案;王志強(qiáng)等[5]認(rèn)為煤柱的穩(wěn)定性與所處應(yīng)力環(huán)境有關(guān),采用彈性地基理論得到了煤柱內(nèi)部任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)以及煤柱穩(wěn)定性的主要影響因素為應(yīng)力集中系數(shù)、煤柱高度及寬度;張宇等[6]研究了淺埋煤層煤柱留設(shè)穩(wěn)定性問題,認(rèn)為煤柱留設(shè)需要在10 m 以上。上述研究對于區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的影響因素以及淺埋煤層的煤柱留設(shè)進(jìn)行了大量的理論分析,然而對于深部礦井區(qū)段煤柱的具體寬度,仍需要結(jié)合工程情況做進(jìn)一步的研究。
大興煤礦資源日漸枯竭,為了增加礦井的服務(wù)年限,亟需研究減少煤柱留設(shè)寬度。本文針對301工作面與303 工作面之間的區(qū)段煤柱,采用理論公式計(jì)算區(qū)段煤柱的彈性核區(qū)數(shù)值,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場鉆孔觀測進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。
301 工作面位于3 號煤層,采高4.4 m,面長120 m,回采巷道寬度為5 m,高度為3 m,頂?shù)装鍨樯皫r,巖性較差。301 工作面的接替工作面為303 工作面,在回采301 工作面時(shí)掘進(jìn)303 工作面的運(yùn)輸巷,如圖1 所示。原先該采區(qū)相鄰工作面區(qū)段煤柱寬度為20 m,為提高資源回收率,重新進(jìn)行區(qū)段煤柱留設(shè)寬度的設(shè)計(jì),分別按照10 m、9 m、8 m、7 m、6 m、5 m 的煤柱寬度進(jìn)行理論計(jì)算,分析在一次采動(dòng)(回采)和二次采動(dòng)(巷道掘進(jìn))的影響下,煤柱是否能保持穩(wěn)定性。
圖1 工作面布置示意
區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性影響因素主要有煤柱的寬度、埋深、煤體自身強(qiáng)度等。進(jìn)行區(qū)段煤柱設(shè)計(jì)時(shí),埋深和煤體自身強(qiáng)度無法后期改變,煤柱寬度是最主要的影響因素?;夭蓵r(shí)區(qū)段護(hù)巷煤柱的合理寬度為:
式中:Le為彈性區(qū)寬度;Lp為塑性區(qū)寬度;X0為采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度;R0為巷道側(cè)塑性區(qū)寬度。
采用中主應(yīng)力影響的SMP 準(zhǔn)則,可得采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度與巷道側(cè)塑性區(qū)寬度:
所以煤柱塑性區(qū)寬度Lp=X0+R0為:
結(jié)合大興煤礦實(shí)際地質(zhì)條件,m=4.5 m,H=700 m,φ=36.5 °,c=0.93 MPa,σ0=1.26 MPa,f1=0.13,c1=1.5 MPa,Pa=0,P=0.36 MPa,K1=4,矩形巷道高3 m,寬5 m。代入公式中計(jì)算,可以得到301 工作面不同煤柱寬度下彈性核區(qū)的大小,具體數(shù)值見表1。
表1 不同寬度區(qū)段煤柱的彈性核區(qū)
采用FLAC3D對不同煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行模擬,研究其煤柱塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律。模型長寬高分別為130 m、130 m、60 m,左右各留50 m 的邊界煤柱,巷道尺寸為5.0 m×3.0 m。模型四周限制X、Y 方向的位移,底部固支,頂板加載17.5 MPa 的等效荷載。采用摩爾-庫倫模型,模型如圖2,覆巖參數(shù)見表2。設(shè)計(jì)模擬區(qū)段煤柱寬度分別為10 m、9 m、8 m、7 m、6 m、5 m 時(shí),受采動(dòng)(301 工作面回采)和掘進(jìn)巷道(303 運(yùn)輸巷掘進(jìn))影響下,在工作面推進(jìn)120 m,即工作面初次見方的位置,取超前工作面10 m,采動(dòng)影響最大處的區(qū)段煤柱的塑性區(qū)發(fā)育云圖。
圖2 數(shù)值模擬初始模型(m)
表2 地層參數(shù)
圖3 依次是不同留設(shè)煤柱寬度下周邊塑性區(qū)發(fā)育情況,塑性區(qū)沿區(qū)段巷道周邊發(fā)育,有對稱分布特征,頂板和兩幫以拉、剪破壞為主。隨著煤柱寬度的增加,塑性區(qū)發(fā)育程度減弱。在5 m 的區(qū)段煤柱寬度條件下,塑性區(qū)非常發(fā)育,貫穿整個(gè)煤柱,無彈性核區(qū);在6 m 的區(qū)段煤柱寬度條件下,有1 m 寬的彈性核區(qū);在7 m 的區(qū)段煤柱寬度條件下,有3 m 寬的彈性核區(qū);在8 m 區(qū)段煤柱寬度條件下,有4 m 寬的彈性核區(qū);在9 m 的區(qū)段煤柱寬度條件下,有5 m 寬的彈性核區(qū);在10 m 的區(qū)段煤柱寬度條件下,有7 m 寬的彈性核區(qū)。結(jié)合第二章的理論分析結(jié)果,可以認(rèn)為當(dāng)區(qū)段煤柱寬度在7.0 m 以上時(shí),煤柱有著較強(qiáng)的穩(wěn)定性,可以實(shí)現(xiàn)安全回采。
圖3 303 工作面區(qū)段煤柱不同留設(shè)寬度塑性區(qū)發(fā)育情況
為了更加直觀地觀測出303 運(yùn)輸巷區(qū)段煤柱穩(wěn)定性,鉆孔觀測內(nèi)部裂隙發(fā)育情況。在運(yùn)輸巷道的幫部距底板1.5 m 的位置處,垂直巷幫向301 工作面?zhèn)茹@孔,放入鉆孔窺視儀。觀測結(jié)果如圖4。
圖4 區(qū)段煤柱裂隙發(fā)育情況
從圖4 看出,在留設(shè)7 m 煤柱寬度條件下,向煤柱內(nèi)部打孔,1 m 深時(shí)鉆孔破碎,2 m 深時(shí)鉆孔完整度提高,孔壁上只有一些橫向裂隙,3.5 m 深時(shí)到達(dá)彈性核區(qū),鉆孔完整,5 m 深和6 m 深時(shí)接近工作面,鉆孔完整程度又降低。因此,可以判斷在留設(shè)7 m 煤柱寬度條件下,煤柱有足夠的彈性核區(qū),可以保證工作面開采期間的穩(wěn)定性。
(1)采用中主應(yīng)力影響的SMP 準(zhǔn)則可以計(jì)算得到受采動(dòng)影響及相鄰巷道掘進(jìn)影響下的區(qū)段煤柱彈性核區(qū)大小。
(2)數(shù)值模擬顯示區(qū)段煤柱塑性區(qū)沿四周發(fā)育,有對稱分布特征,頂板和兩幫以拉、剪破壞為主,彈性核區(qū)大小隨煤柱留設(shè)寬度增加而增加。
(3)在留設(shè)7 m 煤柱寬度條件下,煤柱有足夠的彈性核區(qū),可保證工作面開采期間的穩(wěn)定性。