特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度优化研究

王治文,白雪文,王常兴,任云峰,刘一扬

(1.山西煤炭进出口集团左云韩家洼煤业有限公司,山西 左云 037199;2.山西煤炭进出口集团科学技术研究院有限公司,太原 030032;3.太原理工大学 原位改性采矿教育部重点实验室,太原 030024)

留设煤柱一直是主要的护巷手段[1]。确定合理的区段煤柱留设宽度,不仅可以充分发挥煤柱支撑顶板的作用,还能实现隔离采空区有害气体，防止积水涌入工作面,防止风流漏入采空区的目的，且可节约煤炭资源,提高矿井经济效益[2-4]。而对于特厚煤层,煤柱宽度的不合理则会导致煤炭资源的大量浪费及巷道维护困难,严重影响安全生产[5]。目前,在合理煤柱留设宽度理论计算的研究方面,众多学者建立了不同的力学模型,并据模型给出了多种煤柱宽度的计算方法[6-8]。同时,针对不同地质条件、不同开采工艺的工作面区段煤柱宽度的确定,数值模拟方法得到了广泛应用,也使得煤柱宽度的研究更为多样化与便捷化[9-11]。上述丰富有益的研究有效地解决了工程问题,指导了实际生产。本文以韩家洼煤矿22号煤层为研究背景,根据煤层回采过程中出现的侧向支承压力对邻近工作面巷道影响较弱,且围岩变形量较小等现象,可知目前所留煤柱完全能够满足回采需要,但宽度过大,造成矿井成本的提高及资源的浪费,因此,需对煤柱宽度进行合理优化。

1 矿井地质条件概况

韩家洼煤矿位于大同煤田石炭-二叠纪煤田中南部,总体形态为单斜构造,倾角2°～6°,井田内共有6条对开采影响不大的断层,未发现岩浆岩侵入体,井田构造复杂程度为简单。井田内可采煤层共4层:16-2号煤层,19号煤层,22号煤层及25号煤层。现主要开采22号煤层，22号煤层全区可采,厚度10.35～15.82 m,平均11.78 m,含2～5层夹矸,结构较复杂,属稳定煤层。22号煤层以基本顶为主,全井田均有分布,岩性为砂砾岩及粗细砂岩,稳性定好,底板岩性主要为砂质泥岩、泥岩。伪顶及直接顶不发育。

矿井首先开采东部各盘区工作面,留设煤柱净宽度为30 m,经实际开采观测,该尺寸条件下,工作面回采过程中形成的侧向支承压力对邻近工作面巷道影响弱,整体围岩变形量较小。因此,可进一步优化22号煤层留设区段煤柱的宽度,以提高矿井资源回收率,降低成本,节约煤炭资源。

现以位于井田西北部的22402工作面为主要研究对象,确定22号煤层剩余工作面间的区段煤柱尺寸。22402工作面北邻22401工作面采空区,东为西盘区大巷保护煤柱,煤层巷道均沿底板掘进,所分析研究的煤柱位于22401采空区与22402回风顺槽之间,工作面布置及煤柱位置如图1所示。井田西北部,22402工作面附近的ZK4钻孔柱状图如图2所示。

图1 工作面布置及煤柱位置图Fig.1 Layout of working face and coal pillars

图2 ZK4钻孔柱状图Fig.2 ZK4 borehole histogram

2 区段煤柱合理宽度理论计算

护巷煤柱一侧为22401工作面采空区,另一侧为22402回风顺槽,煤柱承载了数倍于原岩应力的载荷,其所受支承压力分布如图3所示。

图3 煤柱支承压力分布Fig.3 Coal pillar abutment pressure distribution

图3中,煤柱采空区侧及巷道侧边缘在支承压力的作用下发生破碎,应力向煤柱深部转移,且煤柱承载能力随着不断远离煤柱边缘而明显增长,直至承载能力与支承压力达到极限平衡,煤柱趋于稳定。煤柱由边缘向内部形成了破裂区Ⅰ、塑性区Ⅱ以及弹性区Ⅲ。其中,破裂区与塑性区可以统称为极限平衡区[6]。

2.1 煤柱中部弹性区宽度计算

为保持煤柱稳定,需要在煤柱中部留有一定宽度的弹性区,以保证煤柱具有一定的承载能力。由于煤柱两边分别为巷道及采空区,所形成的支承压力大小与影响范围存在差异,故煤柱中部弹性区Lt可按式(1),分为两部分分别计算：

Lt=L1+L2.

(1)

式中:L1为采空区侧弹性区宽度,m;L2为巷道侧弹性区宽度,m。

运用广义米赛斯准则可以求出采空区侧弹性区宽度L1为[6]

(2)

巷道侧弹性区宽度L2为[6]

(3)

式中:η为侧压系数,η=μ/(1-μ),根据实测煤体泊松比μ为0.27,计算得到η为0.37;γ为覆岩平均容重,取为25 kN/m3;hms为埋深,取为200 m,则原岩应力γhms为5 MPa;h1为煤层厚度,取为11.78 m;h2为巷道高度,取为3.2 m;k1为采空区侧煤体开采达到充分采动状态时的侧向应力集中系数,一般为2.5～3.0,较危险情况取3.0;k2为巷道侧侧向应力集中系数,一般为2.0～2.5,较危险情况取2.5;c为煤层内聚力,取为2.21 MPa;φ为煤层内摩擦角,取为34.14°，这里

代入上述具体数值,可以求出韩家洼煤矿区段煤柱中部弹性区宽度至少应大于4.89 m,以维持煤柱具有一定的承载能力,防止其长期处于塑性状态而被破坏。

2.2 煤柱边缘极限平衡区宽度计算

采空区与巷道各自于煤柱两侧边缘形成了范围大小不同的极限平衡区,故煤柱两侧边缘的极限平衡区宽度Lp可由式(4)表示：

Lp=L3+L4.

(4)

式中:L3为采空区侧极限平衡区宽度,m;L4为巷道侧极限平衡区宽度,m。

运用极限平衡理论,可以求出煤柱采空区侧的极限平衡区宽度L3为[11]

(5)

煤柱巷道侧的极限平衡宽度L4为

(6)

式中:p为煤柱两帮所受侧向支护阻力,考虑危险情况,取为0[11]。

代入上述具体数值,可以求出煤柱两帮极限平衡区宽度为6.91 m。若煤柱宽度恰为6.91 m,则煤柱两侧应力峰值恰好叠加,中央无弹性区,煤柱稳定性差。

综上所述,合理的区段煤柱宽度L可以表示为式(7)：

L=Lt+Lp.

(7)

则为使煤柱安全稳定,保持一定的承载能力,合理区段煤柱宽度L至少应当为11.8 m。

3 区段煤柱合理宽度数值模拟分析

3.1 模型建立

为最终确定韩家洼煤矿合理区段煤柱的留设宽度,结合理论计算结果,运用FLAC3D软件进行模拟分析,根据矿井地质条件,建立如图4所示的数值分析模型。此次模拟提出煤柱宽度分别为9 m、12 m、15 m共三种留设方案,通过分析煤柱的稳定性等特征,确定并验证煤柱宽度的合理性。

图4 计算模型Fig.4 Calculation model

模型尺寸为:长×宽×高=406 m×100 m×80 m。模型煤柱的左侧为22401工作面,右侧为22402工作面,模型左右表面及前后表面为固定边界,z轴方向下表面固定,上表面为应力边界。22401工作面埋深约为200 m,则根据模型高度,可以得出上表面施加的垂直应力应为3.75 MPa。模拟过程中,先开挖22401工作面,再开挖22402工作面。模拟各岩层物理力学参数如表1所示。

表1 数值计算模型中岩石力学参数Table 1 Rock mechanics parameters in numerical calculation model

3.2 计算结果分析

当22402工作面推进40 m时,3种不同煤柱留设宽度超前工作面5 m处的围岩屈服破坏特征如图5所示。

图5 超前工作面5 m围岩屈服破坏特征Fig.5 Yield failure of surrounding rock at 5 m ahead of working face

由图5分析可知,不同宽度的区段煤柱的塑性区范围存在一定差异。当煤柱宽度为9 m时,塑性区范围完全贯通煤柱,中部无弹性区,煤柱破坏,稳定性较差,无法长时间支撑顶板,巷道维护困难;当煤柱宽度为12 m时,采空区侧塑性区范围较大,破坏深度达到约7.5 m,巷道侧塑性区范围较小,破坏深度达到1.5 m,煤柱中部弹性区宽度约为3 m,煤柱稳定性较好,能够维持巷道稳定;当煤柱宽度为15 m时,煤柱破坏范围进一步减小,采空区侧破坏深度为6.5 m,巷道侧破坏深度为1.5 m,中部弹性区宽度7 m,此时弹性区范围较大,煤柱稳定性良好。但是,留15 m煤柱会造成煤炭资源的损失,而留设12 m煤柱一定程度上也可以维护巷道稳定,充分发挥煤柱的支撑作用。

超前工作面5 m,提取巷道高度一半位置处不同宽度煤柱的垂直应力曲线如图6所示。

图6 超前5 m不同煤柱宽度垂直应力分布Fig.6 Vertical stress distribution with different coal pillar widths 5m ahead of working face

分析图6可知,不同煤柱宽度所受垂直应力总体上呈现为马鞍形,在采空区侧与巷道侧分别存在两个峰值,煤柱中部区域应力较低。三种煤柱宽度条件下,采空区侧峰值点距煤帮距离较为接近,为1.6～2.0 m之间,峰值大小亦较为接近,约为11 MPa。巷道侧峰值点距离煤帮距离大致在1.5～1.9 m范围之间,较为接近。而巷道侧峰值大小则存在明显不同：当煤柱宽度为9 m时,垂直应力峰值为15.5 MPa;煤柱宽度为12 m时,峰值为14.3 MPa;煤柱宽度为15 m时,峰值为12.8 MPa。同时,在煤柱应力降低的中部区域,随着煤柱宽度的逐渐增大,其所受垂直应力亦在降低。由此分析可知,煤柱宽度越大,应力集中程度越弱,煤柱整体所受垂直应力减小,煤柱稳定性增加。

综上所述,煤柱宽度为9 m时,塑性破坏贯通煤柱两侧,且其所受垂直应力过大,煤柱稳定性差,无法有效支撑顶板,导致巷道维护困难;而当煤柱宽度为15 m时,中部弹性区范围较大,承受的垂直应力较低,但煤柱宽度过宽,造成煤炭资源的浪费。因此,煤柱留设宽度选取为12 m,即可保证煤柱相对稳定,具有一定的支撑能力,在回采过程中逐渐破坏,不发生突变失稳,维护巷道稳定,也尽可能的节约了煤炭资源,提高了矿井经济效益。

4 实际应用分析

根据理论计算与数值模拟分析,确定出韩家洼煤矿合理区段煤柱宽度为12 m,并在现场进行了工程应用。为了解巷道围岩变形规律,证实留设12 m宽度煤柱的合理性,在距工作面60 m处的22402回风顺槽顶底板及两帮,运用“十”字交叉法观测巷道表面位移。回风顺槽顶底板及两帮移近量变化曲线如图7所示。

由图7可知,随着工作面的推进,其距测点的距离越来越近,巷道的顶底板及两帮移近量不断增大。其中,顶底板移近量最大值为117 mm,两帮移近量最大值为215 mm。在观测初期,测点处巷道顶底板移近量较小,增加缓慢,当工作面推进至距测点48 m时,顶底板开始出现明显变形,移近量增加幅度增大。而巷道两帮则自观测开始就有较明显的相对移近,当工作面推进至距测点23 m时,顶底板移近量增大明显。

图7 回风顺槽顶底板及两帮移近量变化曲线Fig.7 Roof-to-floor and two-side convergence curves in return-air gateway

通过上述现场观测,22402回风顺槽顶底板及两帮移近量整体上处于可控范围内,巷道较为稳定,证实了区段煤柱宽度留设为12 m是合理安全的。

5 结论

1)考虑采空区及巷道所形成的侧向支承压力对煤柱影响的差异,运用理论计算求出煤柱中部弹性区临界宽度为4.89 m,煤柱两侧边缘极限平衡区宽度共为6.91 m,则合理区段煤柱宽度在11.8 m左右较为合适。

2)超前工作面5 m时,屈服破坏贯穿9 m宽的煤柱,15 m煤柱中部弹性区宽度过大。确定了12 m为合理留设宽度。不同宽度的煤柱所受垂直应力呈马鞍形,且随着宽度的增加,其所受垂直应力减小。

3)根据现场观测得到的巷道顶底板及两帮移近量曲线,顶底板移近量最大值为117 mm,两帮移近量最大值为215 mm,处于可控范围内，实证了留设12 m区段煤柱是合理可行的。