劉光明

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 安全生產(chǎn)管理中心,山西 太原 030024)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使礦井開(kāi)采深度逐漸增大,煤層賦存條件復(fù)雜多變,巷道圍巖變形大、裂縫裂隙多,嚴(yán)重影響礦井安全開(kāi)采。傳統(tǒng)的保護(hù)巷道方法是在工作面之間留設(shè)一定寬度的保護(hù)煤柱,煤柱結(jié)合巷道支護(hù)材料成為具有較強(qiáng)支護(hù)能力的整體,尤其對(duì)高瓦斯礦井而言,留設(shè)合理寬度的煤柱在承載覆巖壓力的同時(shí),還可以阻斷采空區(qū)瓦斯的擴(kuò)散,降低相鄰采空區(qū)瓦斯對(duì)正在回采工作面瓦斯的影響[1],有效保障工作面的快速推進(jìn)。

山西焦煤汾西礦業(yè)雙柳煤礦煤層賦存條件比較復(fù)雜,工作面走向上存在多個(gè)斷層,在采動(dòng)作用下,所留設(shè)的小煤柱承載能力不足,使得綜放面兩巷圍巖發(fā)生大變形,采空區(qū)有毒有害氣體沿著煤柱裂隙裂縫擴(kuò)散[2-3]. 因此,以該礦33(4)23工作面為研究對(duì)象,借助3種方法研究(3+4)#煤層留設(shè)煤柱寬度不同時(shí)的應(yīng)力分布情況,同時(shí)分析煤柱阻礙瓦斯運(yùn)移情況。

1 工作面概況

表1 (3+4)#煤層頂?shù)装迩闆r

在此煤層布置3個(gè)工作面:33(4)21工作面、33(4)23工作面、33(4)25工作面,工作面之間留設(shè)的煤柱寬度分別為20 m和30 m,見(jiàn)圖1.

圖1 (3+4)#煤層工作面布置情況

33(4)23工作面位于雙柳井田南部,東鄰33(4)21工作面,西鄰33(4)25工作面。工作面可采走向長(zhǎng)2 042 m,傾向長(zhǎng)255 m,工作面面積530 512 m2,工業(yè)儲(chǔ)量2 807 467 t,可采儲(chǔ)量為2 610 945 t.

33(4)23工作面沿頂?shù)装甯蠲?不留頂?shù)酌?。根?jù)煤層厚度及配套的采煤機(jī)、液壓支架及資源回收要求,確定平均采高為3.6 m. 煤層平均傾角為5°,最大傾角為15°,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,巖性多為泥巖,采用自動(dòng)綜合機(jī)械化采煤,全部垮落法管理頂板,回采期間工作面支架從軌道順槽端頭至膠帶順槽端頭依次為ZZG7600/21/44D型過(guò)渡支架(4架)、ZZ7600/21/44D型中間架(166架)、ZZG7600/21/44D型過(guò)渡支架(3架)、ZTZ14400/23/48型端頭支架(1架),共174架液壓支架控制工作面頂板。

2 煤柱寬度計(jì)算

(3+4)#煤層工作面煤柱兩側(cè)分別為工作面巷道和采空區(qū),其在煤柱兩側(cè)產(chǎn)生彈性區(qū)。區(qū)段煤柱控制巷道穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)為煤柱兩側(cè)發(fā)生彈性改變后,相當(dāng)寬度的彈性核發(fā)生在煤柱中部,彈性核寬度至少達(dá)到2倍的煤柱高度[4-5]. 由于受到瓦斯擴(kuò)散的影響,最小的煤柱寬度計(jì)算公式見(jiàn)式(1):

Bmin=x0+2h+x1

(1)

式中:x0、x1分別為采空區(qū)側(cè)和巷道側(cè)的彈性區(qū)寬度,m;h為工作面采高,m.

結(jié)合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,獲得采空區(qū)側(cè)和巷道側(cè)彈性區(qū)寬度的計(jì)算公式:

(2)

(3)

式中:ε為三軸應(yīng)力系數(shù),ε=(1+sinφ)/(1-sinφ);φ為內(nèi)摩擦角,(°),取35.5;f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù),f=tan(φ/4);σ0為水平主應(yīng)力,MPa,取3.92;K1為應(yīng)力集中系數(shù),取4;γ為覆巖容重,γ=ρg,ρ為覆巖密度,kg/m3,取2 000,g為重力加速度,m/s2,取9.8;H為埋深,m,取322;Pb為矸石約束力,MPa,忽略不計(jì),取0;β為彈性區(qū)寬度修正系數(shù),取1.4;r1為巷道的截面半徑,m,取2.35;P為巷道支護(hù)力,MPa,取0.3.

通過(guò)計(jì)算得到三軸應(yīng)力系數(shù)ε為3.936,摩擦因數(shù)f為0.25. 將以上基礎(chǔ)參數(shù)代入式(2)和式(3),獲得33(4)23和33(4)25工作面采空區(qū)側(cè)彈性區(qū)寬度分別為3.572 m、3.009 m;33(4)23和33(4)25工作面巷道側(cè)彈性區(qū)寬度分別為4.337 m、3.068 m.

利用式(1)計(jì)算可得,33(4)23和33(4)25工作面煤柱理論寬度的最小值分別為26.509 m、24.667 m.

4月20日考察結(jié)果詳見(jiàn)表2，分析可知施磷處理小麥的單株次生根17.1條，比未施用磷肥小麥單株次生根14.7條多2.4條。磷肥用量在0-60 kg范圍內(nèi)，小麥單株次生根數(shù)則隨著磷肥的用量增加而增加，呈顯著線性關(guān)系。磷肥的施用量與小麥的次生根顯著相關(guān)。

3 數(shù)值模擬

工作面回采時(shí),33(4)23綜放工作面選擇留有20 m煤柱時(shí),工作面下巷發(fā)生明顯變形破壞,33(4)21綜放工作面選擇留有30～40 m煤柱時(shí)巷道未發(fā)生大變形,整體穩(wěn)定。33(4)23、33(4)25綜放工作面理論計(jì)算的最小煤柱寬度處于25 m上下,為了便于進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,設(shè)置5個(gè)煤柱寬度進(jìn)行模擬,分別為20 m、25 m、30 m、35 m、40 m. 以33(4)25綜放工作面基礎(chǔ)資料建立FLAC3D數(shù)值模型,分析在采動(dòng)應(yīng)力與斷層構(gòu)造應(yīng)力雙重影響下,圍巖應(yīng)力與煤柱寬度之間的變化規(guī)律,數(shù)值模型見(jiàn)圖2,剪切角度不同時(shí),(3+4)#煤層圍巖的抗剪切強(qiáng)度測(cè)試情況見(jiàn)表2.

圖2 數(shù)值模型

表2 剪切角度不同時(shí)(3+4)#煤層圍巖的抗剪切強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1 水平應(yīng)力分布規(guī)律

圖3為(3+4)#煤層工作面之間留設(shè)煤柱寬度不同時(shí),煤柱附近的水平應(yīng)力分布情況。當(dāng)工作面煤柱留設(shè)20 m寬度時(shí),處于煤柱巷道一側(cè)和采空區(qū)一側(cè)的水平應(yīng)力相互溝通,說(shuō)明留設(shè)小煤柱時(shí),煤柱承受上覆巖層的壓力影響,當(dāng)承受壓力達(dá)到極限時(shí),發(fā)生壓裂破壞。當(dāng)工作面煤柱留設(shè)的寬度在增大時(shí),煤柱所承受的水平應(yīng)力開(kāi)始向采空區(qū)一側(cè)轉(zhuǎn)移,證明所留設(shè)煤柱寬度增大能夠減小應(yīng)力顯現(xiàn)程度,保證巷道穩(wěn)定可靠。

圖3 煤柱寬度不同時(shí)水平應(yīng)力分布情況

3.2 垂直應(yīng)力分布規(guī)律

由于工作面在回采時(shí),保護(hù)煤柱將受到斷層構(gòu)造應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力的作用,圖4為煤柱處于雙重應(yīng)力作用時(shí)垂直應(yīng)力分布情況,由圖4可知,煤柱垂直應(yīng)力變化規(guī)律為雙波峰浮動(dòng)變化,巷道和采空區(qū)附近應(yīng)力伴隨煤柱寬度增大而下降。巷道側(cè)最大應(yīng)力位置為距巷道2.5 m處,煤柱附近應(yīng)力隨距巷道距離增大先快速下降,接著逐步升高,在靠近采空區(qū)區(qū)域發(fā)生應(yīng)力增大,接著應(yīng)力逐步下降;當(dāng)煤柱寬度增大到30 m時(shí),煤柱應(yīng)力變化平穩(wěn)。根據(jù)理論計(jì)算,最小煤柱寬度為24.667 m,所以合理的煤柱寬度選擇為30～40 m.

圖4 煤柱寬度不同時(shí)垂直應(yīng)力分布情況

煤柱應(yīng)力集中系數(shù)隨著煤柱寬度的變化規(guī)律見(jiàn)表3. 從表3發(fā)現(xiàn),煤柱寬度擴(kuò)大時(shí)能夠減小應(yīng)力集中系數(shù),綜放面礦壓顯現(xiàn)程度以及礦山壓力影響區(qū)域有效下降,巷道可靠性和穩(wěn)定性得到有效保障。

表3 應(yīng)力峰值和應(yīng)力集中系數(shù)與煤柱寬度之間的關(guān)系

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證工作面之間留設(shè)30 m煤柱后巷道的變形情況以及阻礙瓦斯運(yùn)移效果,在33(4)25工作面施工鉆孔測(cè)定應(yīng)力及監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛茸兓闆r。鉆孔應(yīng)力計(jì)安裝在工作面下巷,具體位置為工作面前方50 m巷道煤壁側(cè)及煤柱側(cè),施工鉆孔的開(kāi)孔高度為1.5 m,應(yīng)力計(jì)埋入煤層3 m. 應(yīng)力測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5.

圖5 應(yīng)力測(cè)定情況

從圖5發(fā)現(xiàn),由于33(4)25工作面采動(dòng)破壞作用,在工作面前部未采動(dòng)區(qū)域發(fā)生應(yīng)力顯現(xiàn)。煤壁區(qū)域應(yīng)力顯現(xiàn)程度較小,應(yīng)力變化范圍為1～2 MPa,應(yīng)力上下起伏變化不大,煤壁距工作面5 m時(shí)應(yīng)力開(kāi)始增大,由1 MPa增大2 MPa,在距工作面10～20 m發(fā)生一定的應(yīng)力顯現(xiàn);煤柱區(qū)域應(yīng)力顯現(xiàn)程度較大,應(yīng)力變化范圍為0.2～3.3 MPa,應(yīng)力起伏變化較大,煤柱距工作面30～40 m發(fā)生明顯的應(yīng)力集中。無(wú)論煤壁還是煤柱,當(dāng)距工作面0～30 m時(shí),應(yīng)力都沒(méi)有發(fā)生大幅度變化;距工作面32～47 m,煤柱側(cè)應(yīng)力明顯超過(guò)煤壁側(cè)應(yīng)力。由表3得到,在設(shè)計(jì)工作面時(shí)煤柱留設(shè)20 m寬度的應(yīng)力集中系數(shù)為3.53,而在設(shè)計(jì)工作面時(shí)煤柱留設(shè)30 m寬度的應(yīng)力集中系數(shù)為2.36,應(yīng)力集中系數(shù)發(fā)生明顯減小,增大煤柱寬度可有效解決應(yīng)力顯現(xiàn)的難題。而理論計(jì)算得到最小的煤柱寬度為25 m,數(shù)值模擬得到合理的煤柱寬度為30～40 m,因此結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,工作面之間留設(shè)30 m煤柱時(shí)可以達(dá)到應(yīng)力要求。

通過(guò)33(4)25工作面瓦斯?jié)舛痊F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,發(fā)現(xiàn)33(4)25工作面開(kāi)采時(shí),工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.23%,回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛仍?.31%上下浮動(dòng)。圖6為33(4)25綜放面瓦斯變化情況,瓦斯涌出量、風(fēng)排瓦斯量和高位鉆孔抽采量的最大值和最小值見(jiàn)表4. 從圖6和表4發(fā)現(xiàn),工作面正常回采時(shí)風(fēng)排瓦斯量?jī)H有1次超過(guò)5 m3/min,沒(méi)有影響到安全生產(chǎn),同時(shí)工作面過(guò)斷層時(shí)煤柱側(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)瓦斯異常增大,證明留設(shè)30 m寬度的煤柱可以有效阻礙瓦斯擴(kuò)散,符合礦井安全生產(chǎn)要求。

圖6 33(4)25工作面瓦斯隨著時(shí)間變化規(guī)律

表4 33(4)25工作面瓦斯變化情況

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬(3+4)#煤層2個(gè)綜放面的煤柱寬度,得出工作面之間煤柱留設(shè)寬度為30～40 m.

2) 分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨留設(shè)煤柱寬度的增大,水平應(yīng)力聚集在工作面采空區(qū)一側(cè),提高留設(shè)煤柱的寬度能減弱水平應(yīng)力破壞巷道的程度,巷道穩(wěn)定可靠性得到明顯提高;垂直應(yīng)力在煤柱側(cè)呈現(xiàn)雙波峰變化規(guī)律,隨著增大煤柱寬度,處于采空區(qū)和巷道一側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)以及垂直應(yīng)力峰值都開(kāi)始減小;巷道側(cè)最大應(yīng)力位置為距巷道2.5 m距離處,煤柱附近應(yīng)力隨距巷道距離增大先快速下降,接著逐步升高,在靠近采空區(qū)區(qū)域發(fā)生應(yīng)力增大,接著應(yīng)力逐步下降。

3) 通過(guò)在33(4)25工作面施工圍巖鉆孔開(kāi)展應(yīng)力測(cè)定以及檢測(cè)工作面瓦斯?jié)舛?發(fā)現(xiàn)工作面之間留設(shè)合理寬度的煤柱,不但可以滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度的要求,還可以阻礙瓦斯擴(kuò)散。