劉 俊

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 王莊煤礦,山西 長治 046000)

區(qū)段煤柱是我國最普遍使用的護巷方式,尤其是在深井高應(yīng)力的情況下,如何提高資源回收率、加快巷道掘進速度成為煤礦企業(yè)面臨的重大問題。傳統(tǒng)開采方式中的煤柱寬度一般為20～40 m,部分條件惡劣的煤礦煤柱寬度達到了60 m,造成煤炭資源的大量浪費,后續(xù)也很難把這些煤炭資源開采出來。其中,沿空留巷和留小煤柱沿空掘巷是解決區(qū)段煤柱資源浪費的重要方法[1-2]。侯朝炯等[3]將沿空巷道上覆堅硬巖層破斷后的結(jié)構(gòu)簡化為弧形三角板,為后續(xù)的研究指明了方向。文獻[4]和[5]運用彈塑性力學(xué)理論對大傾角煤層的厚硬基本頂破斷規(guī)律進行了研究,得到了基本頂斷裂特征并總結(jié)出基本頂初次與周期破斷的時序特點與非對稱特征。文獻[6]針對煤柱受到側(cè)向應(yīng)力集中導(dǎo)致巷道發(fā)生大變形的普遍問題,通過采取對沿空預(yù)留煤柱進行爆破卸壓及大直徑鉆孔卸壓的技術(shù)來降低煤柱的應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)采用卸壓技術(shù)后煤柱內(nèi)部應(yīng)力的集中程度明顯減小。王猛等[7]針對沿空巷道上覆厚堅硬頂板回轉(zhuǎn)變形導(dǎo)致的巷道圍巖應(yīng)力較高,留巷難度較大的問題,通過淺孔爆破技術(shù)切斷采空區(qū)頂板向巷道兩側(cè)傳遞的應(yīng)力,并使用LS-DYNA數(shù)值軟件對爆破鉆孔間距進行優(yōu)化,取得了良好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。許興亮等[8]認為沿空掘巷上覆巖層關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性,相較于煤體自身的力學(xué)性質(zhì)而言,對巷道的穩(wěn)定性影響更大,基于此提出采用高強度錨桿、高阻讓壓和傾向穿層錨索的非對稱耦合控制技術(shù),通過加強沿空巷道煤柱與頂板的一體性強化煤柱的支撐能力,從而減緩關(guān)鍵塊體的旋轉(zhuǎn)下沉速度和下沉量,以達到對深部傾斜沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制的目的。付中華等[9]通過現(xiàn)場測定和數(shù)值分析,將窄煤柱內(nèi)部具有小變形特征或不發(fā)生變形的區(qū)域稱作中性面,隨著煤柱寬度的增大,內(nèi)部的中性面寬度越大。基于上述發(fā)現(xiàn),提出了通過錨桿支護改變煤柱內(nèi)的應(yīng)力環(huán)境從而改變中性面的位置與范圍,在優(yōu)化應(yīng)力環(huán)境的同時,提高煤柱承載強度進而減小煤柱變形的方法。厚煤層綜放工作面留小煤柱沿空掘巷,由于工作面采空區(qū)上覆巖層垮落空間大,導(dǎo)致小煤柱應(yīng)力集中系數(shù)較大,必須改變沿空掘巷圍巖的應(yīng)力環(huán)境[10]。主要方式有:合理的巷道掘進布置方式,使巷道處于應(yīng)力降低區(qū);爆破卸壓切頂護巷技術(shù),使巷道圍巖所處應(yīng)力環(huán)境被強制降低,進而提高圍巖穩(wěn)定性[11]。近年來,由于對淺部煤炭資源的大量開采,許多礦井面臨下組煤延伸進行深部開采的現(xiàn)狀,但地應(yīng)力驟增將導(dǎo)致原來淺部回采巷道的支護方式、煤柱寬度留設(shè)等問題,均需要進行重新討論[12-13]。煤柱應(yīng)力集中程度加大、煤壁片幫、錨桿(索)錨固力增大等嚴重問題在高應(yīng)力條件下出現(xiàn)的次數(shù)也愈發(fā)增多[14]。

本文以王莊煤礦2202工作面9106回風(fēng)順槽高應(yīng)力條件切頂卸壓后留設(shè)窄煤柱為工程背景,通過現(xiàn)場調(diào)研、理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,對深井高應(yīng)力條件下回采巷道的聯(lián)合控制技術(shù)進行研究。

1 工程背景

王莊礦位于長治市郊區(qū),面積289 km2。井田廣為第四系地層所覆蓋,僅在西北部有少量的基巖出露。井田內(nèi)波狀起伏的褶曲比較發(fā)育,大多數(shù)褶曲的兩翼地層傾角較平緩。王莊井田總體走向為一走向北西,傾向南西的單斜構(gòu)造,地層產(chǎn)狀平緩,地層傾角一般為2°～6°,近水平煤層。目前主要開采3號煤層,開采深度為400～600 m,平均540 m。根據(jù)井田內(nèi)鉆孔統(tǒng)計資料,煤層厚6.40～7.65 m,平均6.95 m,全井田屬穩(wěn)定可采煤層,含夾矸0～5層,一般為1～3層,煤層結(jié)構(gòu)簡單-復(fù)雜,夾矸成分多為炭質(zhì)泥巖或泥巖。煤層頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖,底板為泥巖。頂?shù)装鍘r層柱狀圖,如圖1所示。

圖1 3號煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖Fig.1 Strata histogram of roof and floor of No.3 coal seam

工作面采用綜放開采,工作面順槽沿煤層底板布置,全煤巷道,巷道斷面均為5.5 m×3.6 m的矩形斷面,均采用錨網(wǎng)索支護方式。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況,工作面順槽受相鄰工作面采空區(qū)影響比較大,導(dǎo)致煤柱幫變形嚴重,尤其是煤柱側(cè)上方擠出變形明顯,局部區(qū)域存在錨桿錨索托盤壓入煤體的現(xiàn)象。9106工作面為9105工作面的接替工作面,9106工作面回風(fēng)順槽及后期開采的9103孤島工作面都要面臨相鄰采空區(qū)和區(qū)段煤柱應(yīng)力集中引起的強礦壓問題。

開展王莊煤礦高應(yīng)力綜放面區(qū)段煤柱留設(shè)及回采巷道圍巖控制研究,對礦井的安全高效開采具有實際指導(dǎo)意義,而且可為其他類似條件下的孤島工作面開采提供借鑒。對于實現(xiàn)工作面的高效安全回采及類似綜放工作面開采具有重要意義。

2 留小煤柱切頂護巷機理

2.1 壓裂參數(shù)確定

在工作面回采過程中,基本頂在采空區(qū)巷道側(cè)形成弧形三角板,進行水力壓裂形成的切縫面成為關(guān)鍵塊A和B的咬合面。當關(guān)鍵塊B沿著切縫面滑落失穩(wěn)時,巖塊間受力關(guān)系簡化如圖2所示。

根據(jù)砌體梁理論和圍巖結(jié)構(gòu)的S-R穩(wěn)定原理可知,巖塊回轉(zhuǎn)下沉的條件為:

(Tcosβ-Ssinβ)tanφ≤Scosβ+Tsinβ.

(1)

(2)

聯(lián)立以上兩式可得切頂角度的最佳取值范圍:

(3)

式中:T為側(cè)向水平壓力,N;S為巖塊回轉(zhuǎn)下沉過程中受到的剪切力,N;q為集中載荷,N/m;β為水力壓裂切縫面與豎直方向的夾角,(°);ΔS為基本頂采空區(qū)側(cè)下沉量,取3.0 m;φ為巖塊間的摩擦角,取40°;dz為基本頂巖層厚度,取8.0 m;L為基本頂巖塊的長度,取17.0 m。

代入工作面參數(shù)到式(3)計算得到:

實際切頂時,工作面切頂角度應(yīng)大于10°。

水力壓裂施工方案:鉆孔仰角60°,夾角30°,經(jīng)計算,鉆孔深度(斜長)為26.75 m,壓裂間隔3 m,單孔壓裂次數(shù)為7次,鉆孔間距15 m。工作面順槽水力壓裂鉆孔布置及參數(shù)見圖3所示。施工采用后退式方向?qū)嵤?由鉆孔深部向淺部逐段壓裂,壓裂段長度21 m,壓裂使用3BZ4.6/60-90型高壓水泵。

圖3 工作面順槽水力壓裂切頂鉆孔布置示意圖Fig.3 Roof cutting and borehole drilling by hydraulic fracturing of working face gateway

2.2 窄煤柱留設(shè)尺寸研究

工作面回采后采空區(qū)上覆巖層失去了承載煤體,采空區(qū)邊界部分巖體重量轉(zhuǎn)移至區(qū)段煤柱上,引起煤柱內(nèi)部應(yīng)力升高,煤柱臨空面首先受到影響,如果沒有采取有效的支護措施,將會引起煤柱表面片幫形成深入巖體的破碎區(qū)。應(yīng)力進一步演化,從煤柱外側(cè)到內(nèi)部將形成破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū),如圖4所示。因此煤柱內(nèi)部應(yīng)當有一定寬度的彈性區(qū)來保證煤柱的穩(wěn)定,也使錨桿(索)聯(lián)合支護有穩(wěn)定的深層錨固基礎(chǔ)。

圖4 窄煤柱塑性區(qū)及支承應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of plastic zones and supporting stress of narrow coal pillars

合理的煤柱寬度由兩側(cè)的“破碎-塑性區(qū)”和中間的彈性核區(qū)域組成,考慮到在采空區(qū)側(cè)提前采取切頂泄壓措施,在這種條件下進行小煤柱護巷時煤柱寬度為:

b=x1+x2.

(4)

式中:b為窄煤柱寬度,m;x1為破碎-塑性區(qū)寬度,m;x2為彈性區(qū)寬度,m。

其中,由于下區(qū)段工作面的開采,在窄煤柱中產(chǎn)生的“破碎-塑性區(qū)”寬度為:

(5)

式中:h為巷道高度,m;A為側(cè)壓系數(shù);φ0為煤體的內(nèi)摩擦角,(°);C0為煤體的黏聚力,MPa;K為應(yīng)力集中系數(shù);γ為巖體容重,MN/m3;h為對煤柱載荷有影響的巖層高度,m;pz為錨桿支護阻力,MPa。

根據(jù)9106工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件和實驗室力學(xué)參數(shù),相關(guān)參數(shù):h=3.0 m,A=1.1,φ0=36°,C0=1.62 MPa,K=1.6,γ=0.025 MN/m3,pz=0.20 MPa,h=90 m。將其帶入式(5)可得:

x1=

根據(jù)礦井地質(zhì)條件和實測工作面具體參數(shù)代入式(5)得單側(cè)“破碎-塑性區(qū)”寬度為2.0 m。煤柱彈性區(qū)域的寬度根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置為5.0 m,留設(shè)煤柱寬度應(yīng)至少為7.0 m才能滿足留小煤柱使用需求。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

以王莊煤礦地質(zhì)參數(shù)建立FLAC3D模型,模型長×寬×高為500 m×200 m×85.6 m,共劃分為292 800個單元,巖石材料全部應(yīng)用庫倫摩爾模型,3號煤頂?shù)装鍘r層的力學(xué)參數(shù),如表1所示。針對9105運輸順槽切頂后的窄煤柱合理寬度進行數(shù)值模擬,研究9105回風(fēng)順槽垂直應(yīng)力和塑性區(qū)的分部特征。模型包含9105工作面和9106工作面,在模型上方施加12.5 MPa的豎向載荷,等效于模型上方500 m厚的上覆巖層。四周施加13.75 MPa的水平應(yīng)力模擬地層側(cè)向應(yīng)力,并對模型設(shè)置250 kN/m的梯度應(yīng)力。進行地應(yīng)力平衡后,首先在賦值平衡的模型上開挖9105工作面運輸順槽,同時進行支護,運行至平衡。9105工作面回采時,按切頂高度為21 m,切頂角度為30°的條件在運輸順槽內(nèi)布置預(yù)裂切縫模擬水力壓裂,切斷采空區(qū)上覆巖層與實體煤上覆巖層的應(yīng)力傳遞路徑,之后留設(shè)煤柱寬度為5.5～11.5 m的范圍采掘9106回風(fēng)順槽,在提高煤炭資源回收率的基礎(chǔ)上確定窄煤柱的合理寬度。研究不同煤柱寬度下的圍巖垂直應(yīng)力和塑性區(qū)演化特征。在煤柱中設(shè)置監(jiān)測點,由于垂直應(yīng)力(即支撐應(yīng)力)能反應(yīng)掘巷兩側(cè)的應(yīng)力集中程度及煤幫破壞范圍,模擬結(jié)果表明,水平應(yīng)力主要集中在巷道頂?shù)装鍘r層中,在此不做進一步闡述。在本文主要研究煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力變化規(guī)律。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)表

3.2 模擬結(jié)果分析

在切頂高度為21 m,切頂角度為垂直線上偏向采空區(qū)30°的條件下,采用FLAC3D對煤柱寬度分別為5.5 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m、9.5 m、10.5 m、11.5 m時,合理的窄煤柱寬度進行數(shù)值模擬。煤柱寬度不同時,實體煤及煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力云圖,如圖5所示,垂直應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示,煤柱塑性區(qū)分布如圖7所示。

根據(jù)圖5的垂直應(yīng)力云圖和圖6的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知:9105工作面運輸順槽進行切頂后,煤柱寬度為5.5 m、6.5 m時,煤柱內(nèi)部的垂直應(yīng)力峰值分別為43.2 MPa、42.3 MPa.由于9105運輸順槽懸頂?shù)脑?煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值在煤柱內(nèi)偏向于采空區(qū)側(cè)集中,煤柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)分別為3.48、3.38。此時,煤柱內(nèi)部存在明顯的不均衡承載問題,采空區(qū)側(cè)煤柱偏應(yīng)力較大,不利于窄煤柱的長期穩(wěn)定。煤柱寬度為7.5 m時,煤柱內(nèi)部的垂直應(yīng)力峰值為36.0 MPa,實體煤幫的垂直應(yīng)力峰值為32.0 MPa,巷道兩側(cè)煤體的垂直應(yīng)力峰值相差較小,實現(xiàn)了巷道兩側(cè)的均衡承載。煤體寬度為7.5 m時內(nèi)部垂直應(yīng)力峰值相較于煤柱寬度為5.5 m及6.5 m時分別減少了15.2%和12.8%。煤柱寬度從8.5 m增加到11.5 m時,煤柱內(nèi)部的垂直應(yīng)力峰值從35.8 MPa減小到32.5 MPa。此時9105運輸順槽懸頂?shù)拇嬖趯γ褐鶅?nèi)垂直應(yīng)力峰值集中位置的影響較小,煤柱內(nèi)出現(xiàn)明顯的彈性應(yīng)力核區(qū)域,煤柱內(nèi)未破壞區(qū)域面積增加,煤柱的穩(wěn)定性進一步加強。煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力峰值相較于煤柱寬度為7.5 m時分別減少了4.5%、8.0%、10.4%、13.3%。隨著煤柱寬度的變化,上覆巖層向窄煤柱及實體煤傳遞的應(yīng)力數(shù)值也明顯調(diào)整,實體煤幫應(yīng)力集中位置隨著煤柱寬度的增加向巷道臨空面靠近,巷道兩幫破壞范圍減小,煤幫部淺層承載能力增大。

圖5 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力云圖Fig.5 Vertical stress cloud map of coal pillars with different widths

圖6 煤柱幫垂直應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 Monitoring data of two-side vertical stress of coal pillars

根據(jù)圖7可知,窄煤柱的塑性破壞主要體現(xiàn)在煤柱采空區(qū)側(cè)的煤壁及頂煤、窄煤柱內(nèi)部、回風(fēng)順槽巷道表面的塑性破壞,且由于巷道的支護作用,回風(fēng)順槽的表面破壞范圍較小,巷道圍巖較穩(wěn)定。當煤柱寬度為5.0 m時,窄煤柱內(nèi)采空區(qū)側(cè)破壞嚴重,采空區(qū)側(cè)頂煤發(fā)生較大面積的塑性破壞,煤柱上方頂板塑性破壞與巷道頂板塑性破壞貫通,煤柱及巷道圍巖的完整性受到影響。隨著煤柱寬度的增加,雖然煤柱內(nèi)發(fā)生了比較明顯的塑性破壞,但回風(fēng)順槽塑性破壞受煤柱的影響逐漸減弱,當煤柱寬度超過7.5 m時,回風(fēng)順槽圍巖破壞深度穩(wěn)定在0.5 m左右。

綜合以上模擬結(jié)果,在9105運輸順槽進行切頂后,9106區(qū)段煤柱寬度從5.5 m增加到7.5 m時,窄煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值減小約15.2%,而煤柱寬度從7.5 m增加到11.5 m時,窄煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值減少13.3%,煤柱寬度大于7.5 m后,垂直應(yīng)力減小速率明顯變緩。煤柱寬度超過7.5 m后回風(fēng)順槽圍巖破壞深度穩(wěn)定在0.5 m左右。綜合煤炭資源回收率、回采巷道穩(wěn)定性巷內(nèi)支護等方面綜合分析,當區(qū)段煤柱寬度大于7.5 m時,更有利于窄煤柱的穩(wěn)定,同時有利于回風(fēng)順槽的圍巖控制。

3.3 工程應(yīng)用效果分析

為確定理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果能否在井下實際工程中取得較好的效果,在9105和9106工作面進行切頂及小煤柱留設(shè)方案的實施,即在9105運輸順槽進行切頂卸壓,并留設(shè)7.5 m寬的小煤柱,以隔離9105采空區(qū),鉆孔爆破切縫施工如圖8(a)所示,巷道內(nèi)部支護方式如圖8(b)所示。在9106回風(fēng)順槽內(nèi)每隔10 m布置綜合測站,采用十字布點法進行表面位移監(jiān)測,并每隔2 d進行一次數(shù)據(jù)記錄,記錄周期為80 d,實際工程數(shù)據(jù)如圖8(c)所示。

圖8 現(xiàn)場工程應(yīng)用Fig.8 Field engineering application

根據(jù)圍巖位移監(jiān)測曲線可知:9106回風(fēng)順槽在掘巷30 d之內(nèi)為巷道快速變形期,且巷道兩幫的移近量和移近速率均小于頂?shù)装宓囊平?。在巷道掘進20 d后頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?00 mm,兩幫的最大移近量為175 mm;在巷道掘進60 d后趨于穩(wěn)定,頂?shù)装宓淖畲笠平繛?31 mm,兩幫最大移近量為198 mm。綜上所述,9106工作面回風(fēng)順槽在高應(yīng)力條件下進行切頂可有效減小窄煤柱的應(yīng)力集中程度,起到提高煤炭資源回收率的目的。在巷道變形趨于穩(wěn)定時,巷道斷面尺寸能夠達到巷道使用要求。

4 結(jié)論

1)基于理論分析,在王莊煤礦9105運輸順槽進行切頂泄壓的基礎(chǔ)上,進行窄煤柱合理寬度理論計算。煤柱寬度最少為7.0 m時才能保證9106回風(fēng)順槽回采期間的穩(wěn)定,且煤柱內(nèi)存在較寬的彈性區(qū)域?qū)敯逵休^強的承載能力。

2)數(shù)值模擬結(jié)果表明,在深井條件下,水力壓裂切頂長度為21 m,切頂角度為30°的情況下,成功切斷了頂板的應(yīng)力傳遞路徑。隨著留設(shè)煤柱寬度的逐漸增加,煤柱內(nèi)部的垂直應(yīng)力峰值不斷減小,但應(yīng)力減小速率在不斷降低。當區(qū)段煤柱寬度為7.5 m時,可以實現(xiàn)資源回收率及巷道掘進速率的最大化。

3)在進行實際切頂留設(shè)窄煤柱的工程中,巷道在掘進60 d后變形量趨于穩(wěn)定,此時頂?shù)装宓淖畲笠平繛?31 mm,兩幫最大移近量為198 mm。巷道的變形量較小,能夠滿足通風(fēng)行人的使用需求。