馬曉博,高文博,鮑銀輝,張宏升

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

工作面煤層回采過程中,區(qū)段煤柱、工作面多巷布置隔離煤柱的留設(shè)寬度較大時(shí),將會(huì)降低礦井的煤炭資源回收效率[1-2]。在厚煤層開采條件下,煤柱的留設(shè)寬度對于巷道的穩(wěn)定性也有直接影響[3-5]。在以往的研究過程中,國內(nèi)外學(xué)者通過煤柱強(qiáng)度理論、極限平衡理論、數(shù)值模擬方法[6-9]重點(diǎn)研究了煤柱留設(shè)在薄煤層中的應(yīng)用,并已發(fā)展為成熟的技術(shù)體系。然而對于厚煤層的留巷支護(hù)穩(wěn)定性仍存在較多問題[10-12]。因此,以黃陵二號(hào)煤礦厚煤層為例,通過數(shù)值模擬與工程實(shí)測方法探究煤柱留巷的圍巖變形特征,以豐富厚煤層煤柱留設(shè)技術(shù)。

1 煤柱留設(shè)關(guān)鍵問題分析

煤柱留設(shè)方式按照礦壓的分布規(guī)律主要分為2種情況。一種是上區(qū)段回采結(jié)束后,礦壓重新分布并達(dá)到平衡狀態(tài),在實(shí)體煤層中形成從低壓向高壓的過渡區(qū)域,巷道根據(jù)煤柱承壓性能布置在過渡區(qū)域的適合位置。另一種是上區(qū)段開采之前下區(qū)段順槽同時(shí)掘進(jìn)成巷,然而當(dāng)巷道掘進(jìn)與工作面回采同時(shí)進(jìn)行,將會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的應(yīng)力耦合作用。因此,煤柱留設(shè)尺寸與留設(shè)方式需根據(jù)礦井實(shí)際情況進(jìn)行確定。

煤柱的留設(shè)寬度與礦山壓力顯現(xiàn)狀態(tài)、煤層的頂板巖性特征、矸石堆的充填程度、圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)等具有直接或間接的關(guān)系。目前在我國的巷道煤柱留設(shè)尺寸主要為3～6 m,然而在厚煤層開采條件下,此種留設(shè)尺寸無法進(jìn)行有效護(hù)巷。因此,為確定黃陵二號(hào)煤礦厚煤層條件下煤柱的合理留設(shè)尺寸,采用數(shù)值模擬方法建立了不同煤柱尺寸的數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算分析,同時(shí)輔助礦山壓力監(jiān)測設(shè)備對礦壓的顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行評(píng)判與研究。

2 煤柱留巷數(shù)值模擬建模

為探究不同煤柱留設(shè)尺寸下的巷道圍巖變形規(guī)律,對黃陵二號(hào)煤礦303工作面輔運(yùn)巷與采空區(qū)進(jìn)行建模。為消除數(shù)值模擬建模的邊界效應(yīng),模型設(shè)計(jì)尺寸為巷道與采空區(qū)尺寸的3～5倍,根據(jù)工程地質(zhì)條件,建立了210 m×120 m(寬×高)的二維模型,以2 m為間隔點(diǎn),設(shè)置煤柱尺寸范圍為4～30 m,共計(jì)11組數(shù)值計(jì)算模型,研究頂?shù)装?、兩幫壁?yīng)力值與位移演化規(guī)律。模型底部沿垂直方向設(shè)置固定邊界,其他各面均沿水平方向設(shè)置為固定邊界。水平、垂直和豎向位移均為0。模型上部施加邊界載荷,按500 m埋深均勻推算等效巖體自重壓力,數(shù)值模擬的巖性參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬巖性參數(shù)Table 1 Numerical simulation lithology parameters

3 煤柱留設(shè)參數(shù)數(shù)值模擬分析

由于模型較多,為簡化分析,選取具有代表性的3組模型對圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行探究,分別為10 m、14 m、18 m煤柱尺寸模型。

如圖1與圖2所示,當(dāng)巷道的煤柱留設(shè)寬度為10 m時(shí),在巷道的右上方存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,煤柱的右下方邊角與右上方邊角存在應(yīng)力集中區(qū),具有發(fā)生單側(cè)壓剪破壞的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)煤柱尺寸增加至14 m時(shí),煤柱的承壓性能顯著提高,煤柱全區(qū)域內(nèi)承受的支承壓力降低,圍巖的穩(wěn)定性較好,有利于圍巖的日常維護(hù)。當(dāng)煤柱的寬度為18 m時(shí),采空區(qū)覆巖應(yīng)力與巷道頂?shù)装宓膽?yīng)力相比于煤柱寬度為14 m時(shí)發(fā)生了二次升高,表明煤柱承受的壓力向兩側(cè)進(jìn)行了轉(zhuǎn)移,煤柱的應(yīng)力明顯降低,但其向兩側(cè)巷道與采空區(qū)分散的應(yīng)力增加,不利于巷道頂?shù)装宓木S護(hù)。

圖1 不同煤柱寬度下圍巖垂直荷載云圖Fig.1 Vertical load cloud diagram of surrounding rock under different coal pillar width

圖2 不同煤柱寬度下圍巖水平荷載云圖Fig.2 Horizontal load cloud of surrounding rock under different coal pillar width

為探究不同煤柱尺寸對圍巖應(yīng)力與位移的影響。繪制4～30 m煤柱尺寸模型的應(yīng)力峰值與位移峰值演化曲線如圖3、圖4所示。從圍巖的應(yīng)力峰值點(diǎn)演化趨勢中可以看出,當(dāng)煤柱尺寸在6 m時(shí),應(yīng)力達(dá)到極大值點(diǎn)。煤柱尺寸在12～18 m時(shí),水平和垂直方向的荷載變化小,處于荷載低谷位置,隨著煤柱尺寸的繼續(xù)增加變化幅度較為平穩(wěn)。當(dāng)煤柱尺寸為4～8 m時(shí),巷道頂板與兩幫變形已達(dá)到最大收斂,從10～18 m煤柱,兩幫可以控制收斂由大向小逐漸轉(zhuǎn)變,18～25 m煤柱,收斂量由小向大轉(zhuǎn)變。綜上可知,根據(jù)圍巖位荷載和變形量的比較,煤柱尺寸在12～18 m變化值范圍最小,煤柱尺寸在此區(qū)段最為合理。最終確定黃陵二號(hào)煤礦303輔運(yùn)巷的煤柱留設(shè)尺寸為15 m。

圖3 不同煤柱尺寸下應(yīng)力峰值點(diǎn)曲線Fig.3 Stress peak point under different coal pillar sizes

圖4 不同煤柱尺寸下位移峰值點(diǎn)曲線Fig.4 Displacement peak point under different coal pillar sizes

4 工作面礦壓實(shí)測

為探究黃陵二號(hào)煤礦煤柱留巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,驗(yàn)證煤柱留設(shè)尺寸的合理性,對錨索的應(yīng)力狀態(tài)、頂板的離層量與巷道圍巖的現(xiàn)場變形特征進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選,選取2月28日—5月21日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2月28日開始監(jiān)測時(shí),303工作面距離四聯(lián)巷450 m。5月21日結(jié)束監(jiān)測時(shí),推采過四聯(lián)巷200 m,圖5為不同測點(diǎn)位置的錨索荷載監(jiān)測變化曲線。工作面距四聯(lián)巷220 m左右的時(shí),錨索測力計(jì)開始變化,逐漸表現(xiàn)為應(yīng)力上升的趨勢,說明回采動(dòng)壓超前影響范圍為220 m左右。黃陵二號(hào)煤礦303工作面距四聯(lián)巷-50～75 m,錨索所受應(yīng)力出現(xiàn)快速攀升,上升幅度約為100 kN。當(dāng)工作面回采過后50 m,錨索所受應(yīng)力趨于穩(wěn)定狀態(tài),表明黃陵二號(hào)煤礦303工作面的煤柱留巷的穩(wěn)定性滿足圍巖的支護(hù)控制需求。

圖5 錨索應(yīng)力監(jiān)測曲線Fig.5 Anchor cable stress monitoring curve

為進(jìn)一步驗(yàn)證煤柱留巷尺寸在黃陵二號(hào)煤礦303工作面的適用性,對頂板的離層量進(jìn)行檢測,以工作面開切眼位置為原點(diǎn),在距離開切眼2 m、15 m、22 m、33 m位置分別布置離層儀進(jìn)行監(jiān)測,繪制頂板離層量隨工作面推進(jìn)距離的演化曲線如圖6所示。隨著工作面距離四聯(lián)巷的距離變化,在-300 m與-100 m距離時(shí),頂板的離層量發(fā)生變化,證明此時(shí)頂板巖層已受到擾動(dòng)應(yīng)力的影響,當(dāng)工作面靠近四聯(lián)巷時(shí),頂板離層量發(fā)生快速攀升,在工作面推過四聯(lián)巷50 m時(shí),頂板離層量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),演化趨勢與圖5所示的錨索應(yīng)力監(jiān)測曲線較為相似。由于工作面回采巷道采掘擾動(dòng)的影響,在不同的監(jiān)測位置,均存在由巷道開挖導(dǎo)致的10～20 mm的初始離層,隨著測點(diǎn)位置的不同,頂板的離層量幅度也具有顯著差異,整體表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,在15 m測點(diǎn)時(shí)離層量達(dá)到峰值,深基點(diǎn)的離層量約為75 mm,淺基點(diǎn)的離層量約為67 mm。在33 m測點(diǎn)時(shí),離層量達(dá)到最小值,深基點(diǎn)的離層量約為22 mm,淺基點(diǎn)的離層量約為17 mm。

圖6 頂板離層量監(jiān)測曲線Fig.6 Monitoring curve of roof delamination volume

圖7為巷道圍巖支護(hù)變形圖?？梢钥闯?聯(lián)絡(luò)巷的圍巖變形程度較低,同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)幾乎不產(chǎn)生變形。煤柱的圍巖變形程度較低,支護(hù)結(jié)構(gòu)的銹蝕較為嚴(yán)重,但不影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。采面?zhèn)仁芄ぷ髅婊夭蛇^程中礦山壓力的擾動(dòng)程度較高,圍巖的變形程度較高。

圖7 巷道圍巖支護(hù)變形圖Fig.7 Deformation diagram of roadway surrounding rock support

綜上分析可知,煤柱側(cè)支護(hù)采用端錨長錨桿與自旋錨注管全長錨固結(jié)合,效果非常顯著,能夠較好地控制圍巖。下一步可以繼續(xù)采用這種方式。采面?zhèn)炔捎枚隋^長錨桿與短玻璃鋼錨桿結(jié)合,控制效果明顯不如煤柱側(cè),尤其是玻璃鋼錨桿的控制能力明顯不足。后期二次礦壓可能會(huì)破壞部分玻璃鋼錨桿。是否需要再次補(bǔ)強(qiáng)還要根據(jù)二次礦壓強(qiáng)度和監(jiān)測分析決定。護(hù)幫鋼筋網(wǎng)片的銹蝕十分嚴(yán)重,3～5個(gè)月網(wǎng)片鋼筋銹蝕就會(huì)脫皮掉渣,而鍍鋅鐵絲網(wǎng)短期防護(hù)效果顯著,長期銹蝕有突變性。因此,下一步需要采取能夠防腐的網(wǎng)片。黃陵二號(hào)煤礦應(yīng)用煤柱留巷的303輔運(yùn)巷圍巖具有一定程度的變形,但不影響工作面的安全生產(chǎn),驗(yàn)證了厚煤層煤柱留巷技術(shù)的可行性。

5 結(jié)語

(1)以2 m為間隔點(diǎn),對煤柱尺寸為4～30 m的11組數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算,舉例分析了10 m、14 m、18 m煤柱尺寸模型的圍巖應(yīng)力分布狀態(tài),當(dāng)巷道的煤柱留設(shè)寬度為10 m時(shí),具有發(fā)生單側(cè)壓剪破壞的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)煤柱尺寸為14 m時(shí),煤柱全區(qū)域內(nèi)承受的支承壓力降低,圍巖的穩(wěn)定性較好。當(dāng)煤柱尺寸為18 m時(shí),煤柱承受的壓力向兩側(cè)進(jìn)行了轉(zhuǎn)移,巷道與采空區(qū)承受的應(yīng)力增加。

(2)對4～30 m的煤柱尺寸的應(yīng)力峰值與位移峰值進(jìn)行分析。當(dāng)煤柱尺寸在6 m時(shí),達(dá)到應(yīng)力的極大值點(diǎn);煤柱尺寸在12～18 m時(shí),處于荷載低谷位置,隨著煤柱尺寸的繼續(xù)增加變化幅度較為平穩(wěn);煤柱尺寸在12～18m變化值范圍最小,最終確定煤柱尺寸為15 m。

(3)對錨索應(yīng)力與頂板離層量進(jìn)行監(jiān)測,回采動(dòng)壓超前影響范圍為220 m。工作面距離四聯(lián)巷-50～75 m范圍為礦壓快速顯現(xiàn)階段。工作面回采過后50 m,錨索應(yīng)力與頂板離層量趨于穩(wěn)定,驗(yàn)證了黃陵二號(hào)煤礦303工作面的煤柱留設(shè)尺寸滿足圍巖的支護(hù)控制需求。