孤岛工作面防水煤柱留设宽度模拟分析及工程应用

于振子,李 昂 ,韩泰然 ,张 波

(1.中国平煤神马控股集团有限公司,河南 平顶山 467099; 2.炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室,河南 平顶山 467099; 3.西安科技大学,陕西 西安 710054)

遗留煤柱往往形成孤岛工作面,开采面临着诸多难题,如相邻已采面形成的侧向老空积水极易突破面间煤柱塑性破坏区引起水患,增大采面涌水量;面间煤柱宽度留设不足造成回采巷道两帮及顶底板变形严重,巷道维护难等。因此,孤岛工作面间煤柱留设宽度合理性是回采巷道开凿前亟待解决的难题。国内外学者针对防水煤柱宽度开展了大量的工作并取得了丰富的理论成果和实践方法[1-3],其中最典型的研究方法有理论分析、基于相似材料的物理模型试验和数值模拟分析等[4-12]。施龙青等[13]根据工作面煤层上方垂直应力分布及传播特征建立断层防水煤柱力学模型,推导出防水煤柱计算公式,并通过孙村和小云煤矿验证了计算公式的合理性;师维刚等[14-15]根据煤柱物理状态将煤柱分为塑性区、水压破坏区和弹性核区(有效隔水区宽度),并建立力学模型对各分段宽度进行了求解;许延春等[16-18]对闭坑矿井与相邻生产矿井之间煤柱的安全性展开研究,通过模拟两矿井相邻工作面之间煤柱的塑性区贯通情况对煤柱安全性进行了分析;段军等[19-20]人采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分析不同煤柱宽度时垂直应力的演化规律,进而得到合理的掘巷煤柱宽度;王睿等[21-23]针对厚松散层下防水煤柱的留设问题,提出了“保护层透水系数”概念,用于判断保护层厚度是否需要加大,同时采用FLAC3D模拟软件中流固耦合模型进行了水压和矿山压力作用下煤柱的破坏研究,实现了煤柱的合理留设;刘耀蔚[24]以阳煤一矿沿空掘巷为工程背景,采用数值模拟与工业实践相结合的方法,得出沿空掘巷煤柱的合理宽度;任建峰等[25]采用UDEC分析了斜沟煤矿18105超长走向孤岛综采面在不同区段煤柱宽度条件下,巷道围岩在掘进期和回采期的应力分布和位移特征。但由于不同煤矿地质构造、地层岩性、含水层分布和断层性质存在诸多差异性,并不能依据单一的方法和理论公式确定防水煤柱的宽度。

1 矿井及工作面水文地质条件

平煤二矿地理位置优越,位于河南省平顶山市新华区,只距离城市中心1 km,矿井位于沙河和汝河之间的平顶山煤田,四周均有凹陷区,包括西北的宝郏凹陷,东北的襄临凹陷和南边的鲁叶凹陷。平顶山煤田的主体构造是李口复式向斜构造,呈NW-SE走向,由高角度正断层和断块隆起环绕,形成了一个相对独立的水文地质单元。而平煤二矿则是李口向斜构造南翼的水文地质亚区,锅底山断层东部水文地质单元的一部分。该区域煤层开采主要的含水层是寒武系灰岩的岩溶裂隙含水层,它属于岩溶裂隙的弱至强富水含水层。煤层顶部的砂岩孔隙裂隙含水层被确认为弱富水含水层,而煤层底部的石炭系寒武系灰岩岩溶裂隙含水层则是弱至中等的富水含水层。5号煤层的主要水源来自于顶部的砂岩孔隙裂隙含水层,砂岩含水层孔隙裂隙不是很发达,补给条件较差,因此其富水性较弱,采空区积水主要来自于该层。

平煤二矿5号03孤岛工作面东侧为02工作面采空区、西侧为04工作面采空区,计划留设25 m防水煤柱,02、04工作面开采宽度分别为100 m和150 m,已于10年前回采完毕。03孤岛采面采宽100 m,顶板由较坚硬的中细砂岩、中细砂岩、粉砂岩和粗粒砂岩构成,中间夹薄层4煤,采面底板为砂质泥岩、细粉砂岩、石灰岩等组成,煤层埋深315～362 m,平均341 m,煤层厚度变化较小,平均2.6 m,倾角小于8°,03采面回采巷道采用锚网支护形式,帮部加固范围2 m,工作面长壁综采采煤,全部垮落法控制顶板。

2 煤柱宽度理论分析

煤柱宽度通过煤柱载荷估算法[11-16]计算得出,煤柱所承受的载荷由采空区上覆岩层载荷及煤柱上方岩层载荷组成,煤柱宽度可由式(1)—式(3)计算得出。

(1)

煤柱极限载荷计算公式(单位面积):

(2)

煤柱极限强度计算公式:

(3)

式中,B为煤柱宽度;D为煤柱侧开采宽度,取100 m;H为埋深,取338.5 m;δ为上覆岩层垮落角,按经验值取28°;Rc为煤单轴抗压强度,取24.5 MPa;h为上覆岩层裂隙带高度,取33 m;γ为平均容重,取24.6 kN/m3。

代入相关参数计算可得B≥24 m。

3 孤岛煤柱留设合理性数值分析

本文应用FLAC3D有限差分析软件模拟5号03孤岛工作面煤柱留设15 m和25 m两种工况下围岩变形规律和煤柱弹塑性区进行对比分析[5-10]。

3.1 建立数值模型

根据二矿03孤岛工作面和相邻采面实际工程地质条件,简化模拟计算模型,02、03、04工作面模拟采宽为100、100、150 m,03采面两侧留设煤柱命名为A煤柱和B煤柱,留设宽度相等,为15 m或25 m。回采巷道两侧煤体留有2 m支护区。02、03采面为传统架棚支护,工作面边回采边撤棚,故由于02、03采面回采帮部无加强支护。

2种工况(工况1:15 m煤柱宽度;工况2:25 m煤柱宽度)的数值模型高度为130 m、宽度530 m,按照岩性相近的煤岩体归为一类岩性进行简化处理,分为20层结构,解决钻孔岩石物理力学性质指标,模型所选材料按从上向下进行排序,数值模型岩石力学性质参数见表1。工况1和工况2采用分步开挖方式来模拟孤岛工作面在巷道掘进和03工作面回采期间受到的相邻采空区的影响情况,具体的数值计算模型如图1和图2所示。

图1 15 m煤柱宽度下岩层结构数值模型(工况1)Fig.1 Numerical model diagram of rock structure under 15 m coal pillar width(working condition 1)

图2 25 m煤柱宽度下岩层结构数值模型(工况2)Fig.2 Numerical model diagram of rock structure under 25 m coal pillar width(working condition 2)

表1 数值模型岩石力学性质参数Tab.1 Rock mechanics parameters for numerical model

模拟煤层埋深约340 m,2种工况开挖和支护方式:第1步先开回采100 m倾长的02工作面和150 m倾长的04工作面;第2步开凿03采面两侧回采巷道,且留设15 m和25 m区段煤柱;第3步回采100 m倾长的03孤岛工作面。

3.2 数值模拟结果分析

本文模拟的重点在于监测02、04工作面回采前后A煤柱和B煤柱塑性区宽度、位移场和应力场;回采巷道围岩顶底板和两帮变形量、塑性区宽度、位移场和应力场;03工作面回采后围岩煤柱塑性范围的演化深度及位移和应力变化特征。

3.2.1 02和04面回采后围岩应力、位移和塑性规律分析

总体来看,工况1和工况2在未开采03工作面和回采巷道前,围岩应力场、位移场和塑性区变化形态并无差别。

(1)随着02和04工作面回采,顶板不断下沉、底板隆起,当顶底板应力全部释放,顶板下沉贴底,此时在工作面顶部形成拱形应力环,04工作面长度大于02工作面,所形成拱形应力环高度较高,图中绿黄色较浅,也说明长采面顶板应力释放更加充分;在工作面两侧煤帮处由于顶板无法完全接触底板而形成该位置顶底板应力卸载区,而采面两侧煤体受到支承压力作用,支承压力峰值向煤体内部移动,两个工作面支承压力峰值系数为1.8～2.0。

(2)开采长度为150 m的04工作面顶板冒落高度及波及的深度远大于02工作面,04面波及已到模型底部的中粒砂岩和细砂岩,采空区中部对应的模型顶部沉降量达到1.72 m,而02面仅有1.53 m;另外04面采空区中部顶部下沉量达到2.48 m,而02面为2.15 m,相比之下02面采空区中部底板隆起量率大于04面。

(3)02面和04面沿走向方向的顶板破坏区域主要集中两侧顶部,表现出拉剪切破坏形式,采空区顶底板则以拉伸破坏为主,2个采面顶板塑性区均发育到粗粒砂岩层位,冒落高度达到33 m;工作面两侧煤体塑性破坏区深度达到10～11 m,破坏深度较大与巷旁采用架棚支护有关。

3.2.2 03面两侧回采巷道开挖后围岩应力、位移和塑性规律分析

如图3—图5所示,分别为03面两侧回采巷道开挖后围岩应力场、位移场和塑性区变化规律。总体来看,工况1和工况2在03工作面回采巷道开凿后由于受到留设煤柱宽度大小的影响而表现出不同的变化形态。

图3 03面两侧回采巷道开挖后围岩应力场模拟Fig.3 Simulation of the stress field of surrounding rock after excavation of mining tunnels on both sides of the 03 face

图3表明,随着03工作面回采巷道采掘,顶底板均表现出明显的应力变化,巷道直接顶底板以拉应力为主;但所留设的A、B煤柱受到02和04采空区及回采巷道开挖双重影响,形成了明显的支承压力升高区,15 m煤柱对应的顶板形成了一个较大的拱形压力区,相比之下25 m煤柱由于留设宽度较大,并未形成明显的支承压力升高区,这也使得工况2回采巷道维护成本小于工况1;从图4中也可以看出,2种工况下回采巷道顶底板变形量存在差异,工况2的顶板下沉量和底板隆起量较小;从图5中可看出:对于工况1而言,回采巷道顶板和底板的塑性破坏深度不大,仅波及到了直接顶底板,这与基本顶底板岩性较好有关;回采巷道两侧虽然有2 m的锚杆支护区,但靠近03采面一侧的巷旁煤体塑性破坏范围达到2～3 m,这与现场实际情况相符。

图4 03面两侧回采巷道开挖后围岩位移场模拟Fig.4 Simulation of the displacement field of surrounding rock after excavation of mining tunnels on both sides of the 03 face

图5 03面两侧回采巷道开挖后围岩塑性区模拟(工况2)Fig.5 Simulation of the plastic zone of surrounding rock after excavation of mining tunnels on both sides of the 03 face

3.2.3 03面回采后围岩应力、位移和塑性规律分析

03面回采后围岩应力场、位移场和塑性区变化规律如图6—图8所示。

图6 03面回采后围岩应力场模拟Fig.6 Simulation of stress field of the surrounding rock after coal winning of the 03 face

从图6中可以看出,03工作面回采后A、B煤柱的应力场形态差别较明显,对留设15 m留设A、B煤柱顶底板形成较显著的等值应力圈,而25 m煤柱中部顶底板应力变化较小,这部分属于弹性核区范围,工况1下煤柱内部形成的支承压力峰值区域几乎形成一体,峰值压力较大25 m煤柱大。

从图7位移场变化中查以看出,小煤柱的工况1下03面采空区顶板下沉量大于25 m煤柱,这与A、B煤柱被较大的矿山压力压裂导致煤柱沉降量较大有关。

图7 03面回采后围岩位移场模拟Fig.7 Simulation of displacement field of the surrounding rock after coal winning on the 03 face

从图8塑性区模拟中可以看出,工况1中的A、B煤柱顶部破坏深度和破坏影响范围大于宽煤柱的工况2,这与小煤柱内部较大的支承压力关系密切;另外,工况1条件下的A、B煤柱均呈现出塑性破坏区,内部无弹性核区,而工况2的煤柱内部存在2～5 m宽度的弹性核区,这有利于03工作面采空区两侧煤柱仍可抵抗来自02、04面老空水的威胁,工况2的工作面排水量小于工况1,模拟实验数据显示,在03孤岛面的采掘过程中,预留出的25 m防水煤柱都能有效保留一定厚度的弹性煤柱核区,能有效阻止邻近的开采空区的水侵入到采矿作业区域。

图8 03面回采后围岩塑性区模拟Fig.8 Simulation of the plastic zone of the surrounding rock after coal winning of the 03 face

4 现场实测

4.1 检测仪器与设备

现场煤柱内部塑性区深度监测采用RSM-SY7智能声速测试仪,它是由计算机、高压发射与控制、程控放大与衰减、A/D转换与采集四大部分组成的一体化设备。

4.2 检测结果与分析

依据理论和模拟实验结果,03孤岛面开采与相邻采空区之间最终留设25 m防水煤柱,钻探施工队对03工作面回采巷道防水煤柱进行钻孔专业,现场施工监测钻孔4个,并对实验结果进行分析。

03采面不同深度钻孔围岩内部声波波速如图9所示,4个钻孔的声波波速—孔深曲线图特征基本一致,且其变化规律按照离孔口距离的不同可分为3个区域。①第1段区域为0～2.6 m,该区间4个钻孔内的波速都随着深度的增加呈线性增加,表明该处的岩层都受到了不同程度的破损,且离孔口越近,破损越严重,按照防水煤柱的基本理论可知,该区间的煤岩已基本失去承载能力,该区间的宽度即为屈服区宽度;②第2段区域为2.6～6.0 m,该区间4个钻孔内的波速都随着深度的增加而呈抛物线形,但其速度变化区间较小,这种情况是由该区间的煤岩压力变化造成的;③第3段区域,当深度超过6 m时,4个钻孔内的波速随着深度的增加而保持不变,表明该区域煤岩的物理力学性质保持不变,煤岩未受损害,按照防水煤柱的基本理论可知,该区域即为弹性核区。

图9 03采面不同深度钻孔围岩内部声波波速Fig.9 Acoustic wave velocity inside the surrounding rock of the drill hole at different depths of the 03 mining face

由以上分析可以看出,03工作面在回采前的巷道巷旁煤柱内的屈服区宽度约为2.6 m,该结果与模拟实验结果2～3 m相一致,至03工作面全部回采完毕,并未发生采空区突涌水事故,采面涌水量均在设计范围内,巷道变形量小。

因此,留设的25 m煤柱满足现场实际需要,可将该方法推广至平顶山矿区乃至类似地质条件下其他矿井。

5 结论

(1)模拟实验结果表明,留设25 m防水煤柱在巷道开凿和孤岛面回采过程中,均可留有一定厚度的弹性煤柱核区,可有效抵抗相邻采空区水浸入回采作业空间,保障煤柱长期稳定,而留设15 m不利于煤柱体的稳定,不宜于巷道维护,增大支护难度。

(2)现场采用工况2的实施方案,并在回采巷道巷旁煤柱采用智能声速煤炭工程测试仪对煤体内部弹塑性区宽度进行了实测,该结果与模拟实验结果相一致,屈服区宽度可控,留设的弹性核区可使回采巷道长期保持安全稳定。