路 貝,張 波,張 浩,3,解盤石,3

(1.神木市煤礦安全執(zhí)法大隊,陜西 榆林 719300;2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054;3.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室,陜西 西安 710054)

0 引言

目前我國煤炭開采仍面臨煤炭資源采出率低的問題,提高煤炭資源采出率,減少一次性資源損失仍是工程界亟待解決的技術(shù)難點[1]。煤層賦存及地質(zhì)因素、采煤方法的因素、管理因素等都會影響煤炭的采出率[2]。煤柱留設(shè)一直以來是煤礦中常用的護巷方法,留設(shè)煤柱應(yīng)該在保證巷道穩(wěn)定性同時,使煤柱寬度盡可能的小,因此,留設(shè)合理尺寸的煤柱,對提高資源采出率和保障安全生產(chǎn)都有重要的意義。

近年來,廣大學(xué)者采用理論分析、數(shù)值計算、物理模擬以及現(xiàn)場實測等方法對沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化及支護設(shè)計[3-6]、固液耦合作用下隔水煤柱合理尺寸確定[7-9]、沖擊地壓對煤柱寬度的影響[10-11]、大巷煤柱參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[12-15]等問題開展了研究,并極大地改善了煤炭開采效率。但是受剝蝕區(qū)等地質(zhì)條件的影響,在巷道掘進過程中需要及時避讓,其保護煤柱尺寸也會發(fā)生改變,因此,亟需開展大巷過剝蝕區(qū)煤柱合理尺寸及圍巖穩(wěn)定性研究。

以瑤渠煤礦西采區(qū)Ⅱ回風(fēng)大巷為研究對象,采用理論計算、數(shù)值計算等方法,研究不同工況下(煤柱寬度、支護條件)大巷圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布規(guī)律,以期為類似條件煤層開采提供理論參考。

1 工程概況

瑤渠煤礦位于神木市解家堡鄉(xiāng)大柏堡村,主要可采煤層5-2煤層的底板標(biāo)高變化在+1 092～+1 128 m,煤層平均傾角1°左右,煤層埋深0～108.38 m,平均67.80 m,埋深淺并且構(gòu)造簡單。煤層平均厚度1.9 m,由北向南逐漸變薄,較為穩(wěn)定,含1～2層夾矸,夾矸厚度0.05～0.3 m。頂板主要為細粒砂巖、粉砂巖,其次為砂質(zhì)泥巖;底板主要為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖,其次為細粒砂巖,煤巖物理特性見表1。

表1 煤巖物理特性Table 1 Physical characteristics of coal and rock

大巷沿5-2煤層底板布置,大巷間保護煤柱寬30 m?，F(xiàn)西采區(qū)Ⅱ回風(fēng)大巷由北向南掘進過程中,由于前方存在剝蝕區(qū),需向東南方掘進避開剝蝕區(qū),因此西采區(qū)Ⅱ回風(fēng)大巷與西采區(qū)Ⅱ輔運大巷之間煤柱合理尺寸的留設(shè)及巷道的支護是維護巷道圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。大巷布置如圖1所示。

圖1 大巷布置Fig.1 Large roadway layout

2 大巷間煤柱合理尺寸留設(shè)理論計算

巷道掘進后,圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新分布,且應(yīng)力影響范圍近似為巷道斷面半徑的6倍,巷道間距D為

6R

(1)

式中,R為大斷面巷道半徑,m;r為小斷面巷道半徑,m。

由于西采區(qū)Ⅱ回風(fēng)大巷、輔運大巷斷面均為矩形,寬(l)×高(h)依次為5 m×2.6 m、5 m×2.8 m,巷道間距計算過程中可將巷道斷面等效為圓狀,則兩巷等效圓直徑d1、d2為

(2)

由上式計算可得,R=1.06 m,r=1.02 m,結(jié)合式(1)可得D滿足

6×1.06 m6.36 m

(3)

為進一步確定煤柱寬度,應(yīng)兼顧煤柱承載極值狀況,而煤柱承載包含煤柱覆巖及煤柱側(cè)采空懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量,煤柱單位面積載荷即平均應(yīng)力σ為

(4)

式中,p為總荷載,kN;γ為覆巖體積力,kN/m3;H為埋藏深度,m;δ為覆巖垮落角,(°);D為煤柱寬度,m;B為巷道寬度,m。

煤柱強度決定其承載后穩(wěn)定性狀態(tài),而煤柱強度又受煤體抗壓強度、尺寸(高、寬)及構(gòu)造特征的影響,可由Obert-Dwvall/Wang公式得

(5)

式中,R煤柱為煤柱抗壓強度,MPa;Rc為煤抗壓強度,MPa;h為煤柱高度,m。

巷道煤柱穩(wěn)定的關(guān)鍵是確保承載及強度極限平衡,即必須保證σ≤R煤柱,因此煤柱寬度為

(6)

式中,δ為垮落角,取71°(基巖移動角);H為埋深,67.8 m;B為巷道寬度,5 m;h為巷道高度,2.6 m;γ為覆巖體積力,25 kN/m3;Rc為煤抗壓強度,15.6 MPa。通過式(6)計算可得煤柱寬度為9.23 m。

3 不同煤柱尺寸數(shù)值模擬及分析

3.1 數(shù)值模型建立

按照瑤渠煤礦實際情況借助FLAC3D數(shù)值計算軟件,構(gòu)建5-2煤層大巷間煤柱尺寸數(shù)值計算模型(圖2),模型尺寸為225 m×175 m×40 m(長×寬×高)。采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,模型底部限制垂直位移,頂部施加覆巖等效載荷,側(cè)部限制水平移動,整個模型由95 056個單元組成,包括158 661個節(jié)點。模型煤柱尺寸分別為8 m、10 m、12 m、14 m。煤巖力學(xué)參數(shù)見表2。

圖2 數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model

表2 煤巖主要力學(xué)參數(shù)Table 2 Main mechanical parameters of coal and rock

3.2 不同煤柱尺寸下巷道圍巖垂直應(yīng)力演化規(guī)律

巷道掘進后頂?shù)装寰鶗?yīng)力釋放,且頂板卸荷范圍大于底板(圖3),巷道兩側(cè)煤柱易應(yīng)力集中,且煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度較邊界煤體大。當(dāng)煤柱尺寸由14 m逐漸減小到8 m時,煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象由兩側(cè)向中部發(fā)展。當(dāng)煤柱尺寸分別為14 m、12 m、10 m、8 m時煤柱內(nèi)的最大垂直應(yīng)力分別為1.381 MPa、1.406 MPa、1.479 MPa、1.465 MPa,最大垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是由于隨著煤柱尺寸的減小,煤柱內(nèi)壓力越大,當(dāng)煤柱寬度為6 m時,其內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生破壞便產(chǎn)生卸荷。

圖3 不同煤柱尺寸下巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖Fig.3 Vertical stress nephogram of roadway surrounding rock under different coal pillar sizes

3.3 不同煤柱尺寸下巷道圍巖位移演化規(guī)律

巷道掘進后,巷道頂?shù)装寰鶗霈F(xiàn)顯著變形(圖4),隨著回風(fēng)大巷與輔運大巷之間煤柱尺寸減小,巷道頂板的最大下沉量由1.653×10-3m增加至1.860×10-3m,下沉量增加了12.52%。而巷道底鼓量由0.876×10-3m增加到0.888×10-3m,底鼓量增加了1.36%,增幅較小,因此,維持巷道頂板的穩(wěn)定是掘進期間的重要工作。

圖4 不同煤柱尺寸下巷道頂?shù)装逦灰屏縁ig.4 Displacement of roadway roof and floor under different coal pillar sizes

3.4 不同煤柱尺寸下巷道塑性區(qū)分布規(guī)律

巷道掘進后圍巖主要以剪切破壞為主,如圖5所示,巷道兩側(cè)煤柱的塑性區(qū)范圍略大于頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍,其中頂?shù)装逅苄詤^(qū)主要發(fā)生在巷道的邊角處,大致形成“蝶形”。隨著煤柱尺寸由14 m減小到8 m時,回風(fēng)大巷與輔運大巷圍巖塑性區(qū)往橫向擴張,當(dāng)煤柱尺寸為14 m和10 m時,掘進過程中兩巷圍巖塑性區(qū)不會貫穿產(chǎn)生疊加,此時煤柱比較穩(wěn)定;當(dāng)煤柱尺寸為10 m時,煤柱內(nèi)塑性區(qū)范圍進一步擴張,煤柱兩側(cè)塑性區(qū)在中部區(qū)域恰好形成相切,此時為煤柱承載的臨界值;當(dāng)煤柱尺寸為8 m時,掘進回風(fēng)大巷時煤柱內(nèi)部的塑性區(qū)會產(chǎn)生交匯,整個煤柱產(chǎn)生破壞,煤柱承載能力較差。

圖5 不同煤柱尺寸下巷道圍巖塑性區(qū)云圖Fig.5 Cloud of plastic zone of roadway surrounding rock under different coal pillar sizes

綜上所述,當(dāng)煤柱尺寸為8 m時,煤柱變形破壞嚴(yán)重,承載能力較差,不利于巷道圍巖的穩(wěn)定性控制;當(dāng)煤柱尺寸為10 m時,煤柱內(nèi)會產(chǎn)生變形破壞,但其內(nèi)部塑性區(qū)未貫通整個煤柱,仍存有一定的彈性核區(qū)域,具有一定的承載能力;煤柱尺寸為12 m和14 m時,煤柱內(nèi)部破壞區(qū)域較小,穩(wěn)定性較好,但隨著煤柱寬度的增大,其資源浪費嚴(yán)重。結(jié)合煤柱寬度理論計算結(jié)果可知,西采區(qū)Ⅱ大巷間煤柱最小合理尺寸為10 m。

4 巷道圍巖支護優(yōu)化

4.1 支護參數(shù)確定

根據(jù)對瑤渠煤礦西采區(qū)Ⅱ回風(fēng)大巷與輔運大巷之間煤柱尺寸的理論計算及模擬分析,確定煤柱合理寬度最小為10 m。在此基礎(chǔ)上,主運大巷與輔運大巷均采用原有支護參數(shù),用正交模擬確定回風(fēng)大巷錨桿與錨索數(shù)量、間排距等參數(shù)。

瑤渠煤礦西采區(qū)Ⅱ回風(fēng)大巷原始支護方式如圖6(a)所示,根據(jù)模擬結(jié)果,當(dāng)回風(fēng)大巷與輔運大巷之間煤柱寬度為10 m時,確定西采區(qū)Ⅱ回風(fēng)大巷支護參數(shù)如圖6(b)所示,巷道全斷面共布置12根高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,其中頂部錨桿參數(shù)直徑為18 mm,長度為2 100 mm,呈“矩形”布置,間排距900 mm×1 000 mm,頂板每排6根錨桿,錨桿外露長度為30 mm。側(cè)幫錨桿由每幫2根增加至3根,也呈“矩形”布置,錨桿直徑為18 mm,長度為1 800 mm,間排距均為800 mm×1 000 mm。頂部錨索采用φ17.8 mm×7 100 mm型鋼絞線錨索,間排距為1.6 m×2.5 m,每排3根,每根錨索采用3卷Z2360錨固劑錨固,錨索錨固力不小于100 kN,錨索外露長度為200 mm。

4.2 優(yōu)化支護效果驗證

根據(jù)所確定的支護優(yōu)化參數(shù),進行數(shù)值模擬驗證,從巷道圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)演化規(guī)律分析如圖7所示。由數(shù)值模擬現(xiàn)象可得,當(dāng)西采區(qū)Ⅱ回風(fēng)大巷與輔運大巷之間煤柱寬度為10 m時,通過原有支護條件與優(yōu)化支護后比較,原有支護方案下巷道圍巖應(yīng)力極值為1.470 MPa,優(yōu)化后應(yīng)力極值為0.912 MPa;巷道頂?shù)装遄冃瘟坑?.685×10-3m、0.861×10-3m分別減小至0.873×10-3m、0.443×10-3m,巷道圍巖變形量明顯減小;優(yōu)化支護后巷道圍巖塑性區(qū)范圍顯著減小,巷道頂部破壞區(qū)厚度由3.590 m減小至2.125 m,煤柱內(nèi)破壞厚度由4.162 m減小至3.254 m。綜上可知,在支護方式優(yōu)化后,巷道圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)均有所改善,能夠有效的控制巷道周邊圍巖的運動,減小巷道變形,達到較好的支護效果,保證巷道的整體穩(wěn)定性。

圖7 支護效果對比Fig.7 Comparison of supporting effect

5 結(jié)論

(1)考慮巷道圍巖應(yīng)力影響帶以及巷道間煤柱的穩(wěn)定性對煤柱合理尺寸進行理論計算,確定煤柱留設(shè)尺寸應(yīng)大于9.23 m。

(2)建立不同煤柱尺寸的數(shù)值計算模型,煤柱尺寸由14 m減小至8 m時,巷道圍巖內(nèi)的垂直應(yīng)力、位移及塑性區(qū)范圍呈增大趨勢。當(dāng)煤柱尺寸為10 m時,煤柱內(nèi)部具有一定的彈性核區(qū)域,能夠滿足巷道圍巖的穩(wěn)定性。綜合考慮,煤柱最小合理尺寸為10 m。

(3)煤柱尺寸為10 m時,幫部3根錨桿支護后巷道圍巖應(yīng)力、位移和塑性區(qū)均有顯著改善,能夠有效控制巷道圍巖變形。