易自燃煤层沿空掘巷留小煤柱合理宽度研究

2016-04-06戴广龙

采矿与岩层控制工程学报 2016年1期

关键词：数值模拟

张　航，戴广龙,2

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001；2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南 232001)

易自燃煤层沿空掘巷留小煤柱合理宽度研究

张航1，戴广龙1,2

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001；2.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽淮南 232001)

[摘要]为了防止因易自燃煤层沿空掘进留设小煤柱护巷而导致工作面采空区遗煤自燃等灾害的发生，基于谢桥煤矿1221(1)工作面的实际情况，首先根据极限平衡理论计算出煤柱的预留宽度，采用FLAC3D数值模拟软件分别模拟了5m，6m，7m和8m共4种不同宽度小煤柱的垂直应力场分布情况；依据小煤柱细观结构损伤与其防漏风能力关系，并结合岩体损伤过程中的渗流特性得到小煤柱漏风距离，以修正小煤柱的留设宽度。最终得出谢桥煤矿易自燃煤层1222(1)工作面应留设煤柱宽度为7～8m，并通过现场实践检验了小煤柱宽度留设的合理性。

[关键词]易自燃；沿空掘巷；小煤柱；理论计算；数值模拟

Reasonable Width of Small Pillar of Gob-side Entry Driving in Inflammable Coal Seam

大量工程实践表明，在煤炭开采过程中应用沿空掘巷留小煤柱护巷技术不仅有利于巷道围岩的稳定，还能提高煤炭采出率，具有很好的经济效益[1-3]。然而在沿空掘巷时留设的小煤柱宽度是否合理对沿空巷道围岩的稳定性和工作面回采过程中煤炭自然发火有很大的影响，如果留设的小煤柱宽度偏大造成资源浪费，偏小不仅会造成巷道维护困难，支护成本高，更为严重的可能会使沿空巷道与相邻采区侧的小煤柱产生大量裂隙、漏风使采空区遗煤自燃。因此确定小煤柱合理宽度成为制约相邻工作面安全高效生产的重要因素。在先前的相关理论研究中，沿空掘巷留设小煤柱合理宽度的确定主要是通过先分析该煤柱上覆岩层的岩性、厚度以及开采扰动系数和采空区对煤柱的侧向约束力等从而得到煤柱所承受的载荷，通过类比法和经验公式推算出要承受相应载荷所必需的煤柱宽度。该方法仅考虑了预留煤柱对上覆煤岩层的支撑作用，而未考虑到因预留煤柱宽度较小而易使风流通过煤柱裂隙渗流到采空区，使采空区遗煤发生自燃等问题。因此，本文以谢桥煤矿易自燃煤层1222(1)工作面防灭火工程项目为研究背景，首先通过极限平衡理论计算出小煤柱宽度[4-8]，再依据小煤柱细观结构损伤与其防漏风能力关系，并结合岩体损伤过程中的渗流特性得到小煤柱漏风距离，最后通过数值模拟分析，综合确定了合理的小煤柱留设宽度，并经过现场验证了此次小煤柱宽度的留设对巷道支护和防止煤炭自燃都有很好的效果。

谢桥煤矿1222(1)工作面煤层属于Ⅱ类自燃煤层，煤炭自然发火期为72d，煤层倾角为13°，煤层均厚为2.4m，底板标高-457.8～-559.6m；工作面走向长度为2811m，倾斜长度为295.7m，回风巷道煤层底板标高为-457.8～-492.6m，运输巷道煤层底板标高为-535.3～-559.6m。

1小煤柱宽度理论计算

当相邻区段工作面回采后，直接顶冒落基本顶下沉，基本顶的弯曲变形、断裂最终形成稳定砌体梁结构，导致采场周围应力重新分布，侧向支承压力使采空侧煤体发生变形，煤体边缘逐渐产生破碎区、塑性区、弹性区和原岩应力区，如果煤柱宽度过小，煤柱将全部处于破碎区和塑性区，则不能保证沿空巷道的稳定，巷道维护困难。因此留设的合理小煤柱宽度应大于采空侧煤体因工作面回采而发生损伤破坏形成的破碎区和塑性区宽度。小煤柱宽度计算示意如图1所示。

图1　合理小煤柱宽度示意

小煤柱宽度计算如式(1)所示，式中x1，x3分别由公式(2)，(3)求得。

B=x1+x2+x3

(1)

(2)

x3=(0.15～0.35)×(x1+x2)

(3)

式(1)中，B为小煤柱宽度，m；x1为相邻工作面开采在本区段形成的破碎区和塑性区宽度；x2为锚杆支护的有效长度，取2m；x3为考虑安全系数而增加的合理宽度。

式(2)中，m为上区段平巷高度，取2.8m；A为测压系数，取0.42；φ为煤体内摩擦角，取32°；C0为煤体黏聚力，取1.26MPa；k为应力集中系数，取2；H为巷道埋藏深，取480m；r为煤层平均重力密度，取25kN/m3；P0为侧向约束力，相邻已采面采空侧P0=0。

将上述数值代入式(2)得：x1=3.8m；代入公式(3)得x3的取值范围为0.87～2.03m；将两数值代入公式(1)，得到合理的小煤柱宽度为6.7～7.9m。

2小煤柱漏风距离分析

煤体是一种由固体物质组成并含有大量微小空隙的物质，当煤柱受上覆岩层应力作用时，煤柱内的细观损伤逐渐发育[9-12]，并逐步形成各级裂隙网络，极大地提高了煤体的渗透能力，最终增加了煤柱的有效漏风距离。

为分析得到煤柱的有效漏风距离与煤柱所受载荷大小的关系，通过工程实践研究，建立了多种岩石应力—应变—渗流系数关系方程，并应用毛素管模型进行方程拟合[13]，得到岩体渗流系数与压力的关系方程：

(4)

式中，Kf为受应力作用后岩体渗透系数；K0为原始岩体渗透系数，取煤的渗透系数K0=1cm/s；a为拉应力和零应力对渗透系数的影响耦合参数，此处取a=180；b为高压应力时对渗透系数的影响耦合参数，此处取b=10；σ为岩体所受有效应力，MPa。

对于风流在煤体孔隙中渗流规律可用达西定律来描述，表达式为：

K=QL/ΔPF

(5)

式中，Q为单位时间流量，m3/t；K为渗透系数；L为渗流路径长度，m；ΔP为断面所受压力，Pa；F为断面面积，m2。

在风流经过巷道时，流体对巷道壁产生压力，在风流流速不变的情况下，压力是恒定的，在回采巷道中风流所受阻力主要由巷道壁和风流的摩擦决定，若设其摩擦系数为μ，则：

f=μFa

(6)

式中，f为摩擦阻力，N；Fa为单位面积巷道壁所受压力，N。

根据通风安全学中对巷道摩擦风阻Rf给出的计算式：

Rf=αLfU/S3

(7)

式中，α为摩擦阻力系数；Lf为巷道长度，m；U为巷道周长，m；S为巷道断面积，m2。

令Rf≈f，μ≈a，则得到：

Fa=LfU/S3

(8)

若在单位长度的巷道中，即Lf≈1时，

ΔP=Fa/Sa

(9)

式中，Sa为巷道内表面积。

联立公式(4)～(9)，得：

(10)

如果L>B，则煤柱体漏风，需要对煤柱体留设宽度进行修正；如果L

试验中，经过现场实测煤体所受有效应力σ=19.2MPa，沿空留巷的巷道周长U=16.25m，断面积S=14.56m2，进风断面积F=10m2，单位时间内的巷道风量Q=2.5m3/s，代入公式(10)得出漏风路径长度L=0.8m，小煤柱两侧的破碎区和塑性区宽度x1+x2=5.8m。经过上述计算可得：煤柱预留宽度B应大于6.6m，再考虑到1.1～1.2的安全系数，因此预留煤柱宽度应为7～8m。

3数值模拟分析

3.1FLAC3D模型的建立

为了分析1222(1)工作面沿空掘巷时留设的小煤柱的受力情况与煤柱宽度的关系，通过FLAC3D数值模拟软件分别对留设5m，6m，7m，8m共4种不同宽度的小煤柱在工作面回采时的垂直应力分布进行了模拟，根据工作面回采后上覆岩层移动变形的规律建立三维数值计算模型，模型的尺寸为290m×100m×145m(长×宽×高)。

3.2模型力学参数的选取和边界条件

煤系岩体是塑性较强的弹塑性材料，可用近似理想的弹塑性模型模拟。模型的破坏准则选用mohr-Coulomb准则，各岩层的力学参数如表1所示。模型底部边界固定，位移为零；模型左右边界约束水平位移；模型顶部为自由边界。在模型顶部施加11.549MPa 的均匀载荷，等效上覆岩层的自重。模型力学参数见表1。

表1　模型的力学参数

3.3模拟结果分析

工作面回采后，原来处于三轴压缩平衡状态的煤柱体中径向压力消失，煤柱体失稳并逐渐破裂膨胀体积增大，其应力分布的变化会引起煤柱体内的裂隙的不断扩展，煤柱体的整体刚度和稳定性随之逐渐降低，并且煤柱体的破坏会随着时间逐渐向深部扩展。图2为5m，6m，7m，8m共4种不同宽度小煤柱的垂直应力场分布云图。

从图2中可以看出小煤柱内的垂直应力基本沿中间轴线对称分布，中间位置垂直应力较大，两侧区域垂直应力较小。而当小煤柱的留设宽度不同时，小煤柱内的垂直应力分布会随之发生改变。随着小煤柱宽度从5m增大到8m，其在沿空巷道一侧的应力降低区范围越来越大，即巷道所承受的载荷变小，煤柱对巷道保护的力度增加，当煤柱宽度大于7m时，整个沿空巷道已完全处于应力降低区内，可有效保证巷道支护安全。

为了进一步分析小煤柱内部垂直应力的分布情况，选取煤柱垂直高度一半的中间层位的垂直应力分布情况进行分析，图3为5m，6m，7m，8m共4种不同宽度小煤柱的垂直应力场分布曲线图。

图2　煤柱垂直应力分布

图3　煤柱垂直应力曲线

由图3可以看出：

(1)小煤柱留设宽度对小煤柱内的垂直应力分布影响较大，当煤柱宽度从5m增大到7m时，小煤柱内垂直应力峰值逐渐增大；由34MPa增加到39MPa，增加幅度不大。煤柱宽度为7m和8m时煤柱内垂直应力基本相同，最大垂直应力约为39MPa。

(2)小煤柱内的垂直应力大体呈抛物线形分布。当小煤柱宽度从5m不断增大到8m时，小煤柱内垂直应力峰值逐渐向背离沿空巷道一侧移动，即随着煤柱宽度的增加，沿空巷道所受应力越来越小；并且由于小煤柱宽度的增加，小煤柱的稳定性也随之增加：当煤柱宽度为5m和6m时，煤柱内产生了塑性屈服，应力集中明显，煤柱逐渐压裂膨胀并开始破坏；煤柱宽度为7～8m时，煤柱中部开始出现弹性核，煤柱有了一定的稳定性。

因此，通过数值模拟结果发现：当小煤柱宽度为7～8m时，小煤柱中部出现弹性核，具有较好的稳定性，且小煤柱的应力峰值远离沿空巷道，从而保证了巷道的稳定性。

4现场实践

根据谢桥煤矿1222(1)工作面上下区段已回采完毕的实际情况，回风巷道和运输巷道的布置方式为平行布置且都采用沿空掘巷留小煤柱护巷，支护方式主要采用锚联网支护。回采期间安排专职人员每小班对工作面上隅角和回风巷道中的CO进行取样并在实验室进行全气样分析并记录，分析结果表明CO浓度在回采期间始终不超过24×10-6，说明留设的7m小煤柱对工作面回采期间防止采空区煤炭自燃具有很好的效果。

5主要结论

(1)通过对小煤柱中产生的极限平衡区宽度的计算和小煤柱漏风距离分析，得出小煤柱合理的留设宽度为7～8m时巷道围岩比较稳定，小煤柱的破坏程度比较小。

(2)通过数值模拟发现留设的小煤柱宽度对小煤柱内的垂直应力分布影响较大，当小煤柱宽度从5m增大到8m时，小煤柱内最大垂直应力先增大然后又趋于平衡，小煤柱内的垂直应力近似抛物线形分布。

(3)现场实践表明，当小煤柱留设宽度为7m时，既能保证沿空巷道围岩稳定性，又能防止采空区遗煤自燃，为类似工作面小煤柱留设问题提供了借鉴。

[参考文献]

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