极近距离煤层群回采巷道合理位置的柱宽效应研究∗

李杨(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)



极近距离煤层群回采巷道合理位置的柱宽效应研究∗

李杨
(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

摘 要针对极近距离煤层群开采地质条件,在弹性理论的基础上,推导出底板岩层中任意一点附加垂直应力解析解,绘制了不同宽度大煤柱下底板岩层垂直应力等值线图,揭示了5＃煤层垂直应力分布规律,结合大煤柱下应力非均匀分布特征的影响,最终确定沙曲矿45m宽大煤柱支承压力下5＃煤层25301工作面胶运巷采用内错4m布置。现场实践表明其支护效果良好,无明显变形,矿压显现较为缓和。

关键词煤柱宽度 极近距离煤层群开采 巷道布置 合理位置

当煤层层间距较小时,上煤层开采后遗留的区段煤柱将在底板形成应力集中,对下部煤层开采区域的顶板结构和应力环境造成显著影响,严重地制约了矿井的安全生产。考虑到以往的研究主要集中在煤层间距离较大的情况,而针对极近距离煤层群开采条件,尤其是早期矿井开采技术的不成熟所导致的上煤层遗留煤柱宽度较大时,对下煤层回采巷道布置的影响研究相对较少。因此,本文分析了大煤柱下底板岩层的垂直应力分布规律和煤柱宽度的关系,并探讨了大煤柱下不均匀应力场对巷道围岩结构的影响,为极近距离煤层群下行开采工作面巷道合理位置的确定提供依据。

1　工程概况

25301工作面位于沙曲矿北三采区,沿煤层倾向布置长壁工作面,东侧为矿井开采界限,西侧为北翼大巷,南侧为已回采结束的25102工作面,北侧为24302工作面采空区下方的实体煤。25301工作面回采煤层为5＃煤层,该煤层位于山西组下部,埋藏深度平均为400m,厚度平均为3.85m,倾角平均为5°,煤层赋存稳定且裂隙较为发育,煤质硬度较小、受力易碎。直接顶为泥岩,层状半坚硬,其上方为岩性较强的粉砂岩和中砂岩,直接底为泥岩,老底为中砂岩,层状坚硬。25301工作面正上方为24301工作面采空区,回采煤层为3＃＋4＃煤层,混合煤层厚度平均为4.12m,距离5＃煤层的平均间距为5.5m,属于极近距离煤层群下行开采方式。24301工作面和24302工作面回采结束之后,25301工作面胶运巷布置位置的确定对其变形破坏特征和维护影响极大。

2　煤柱下应力场分布规律理论分析

2.1 大煤柱下垂直应力场分布与大煤柱宽度的关系

根据国内外相关研究成果,护巷煤柱上的载荷是由煤柱上覆岩层重量(mmnn)及两侧(mnbd)采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分重量所引起的,其所承受的载荷如图1所示。

图1　煤柱承受载荷计算图

上述计算以平面问题代替空间问题,在未涉及上覆岩层运移状况时将复杂的岩层赋存情况简化为均质岩层,同时对采场顶板的垮落高度与采高及顶板岩性的关系加以考虑,则护巷煤柱承受载荷计算式为:

式中:P——煤柱上的总载荷,MPa;

h——采空区岩层垮落高度,m;

k——顶板岩石碎胀系数,与岩性有关;

δ——采空区上覆岩层垮落角,(°);

M——采高,m;

L——采空区宽度,m;

γ——上覆岩层平均容重,kN/m3;

H——开采深度,m;

B——煤柱宽度,m。

由于煤柱两侧存在一定范围的塑性区,因此,在计算大煤柱实际承受的载荷时,应当对煤柱两侧的边缘效应进行考虑,故将煤柱塑性区的垂直应力变化简化为线性关系,则煤柱所承受的极限载荷σ1为:

式中:a——煤柱弹性区宽度,m;

c——煤柱塑性区宽度,m。

根据弹性理论,将煤层底板的煤岩体视为均匀的弹性体,并将煤柱作用在底板的载荷简化为梯形分布载荷,则其对底板岩层的作用如图2所示。

图2　梯形分布载荷下底板应力计算图

当梯形载荷作用在半无限体表面上时,底板岩层中任意一点的附加垂直应力可按叠加原理进行计算。以梯形载荷作用下的底板应力为例,在不同坐标系下分别计算均布载荷(AQDE)以及三角形载荷(AEF、QDC)的作用,通过坐标变换最终得到底板岩层中任意一点M所引起的附加垂直应力σz,其计算如下:

均布载荷(AQDE)作用:

三角形分布载荷(AEF或QDC)作用:

式中:mi——M点至底板的垂直距离与均布载荷宽度之比;

ni——M点至均布荷载中心的水平距离与均布荷载宽度之比;

mj——M点至底板的垂直距离与三角形分布载荷宽度之比;

nj——M点至三角形分布载荷压力为零点(边)的水平距离与三角形分布载荷宽度之比;

pi、pj——分别为均布载荷强度和三角形分布的最大载荷强度,即煤柱所承受的极限载荷σ1。

所以梯形分布载荷(AQCF)为:

通过叠加原理对梯形载荷作用下的底板应力进行叠加,可以得到任意断面尺寸的梯形分布载荷所引起的底板中任意一点M的附加垂直应力σz为:

式中:x——M点到煤柱中心的水平距离;

z——M点到3＃＋4＃煤层底板的垂直距离。

考虑到极近距离煤层群开采煤柱下底板岩层的自重应力远小于其所承受的附加垂直应力值,其下部煤层的巷道布置和工作面回采也主要受煤柱附加垂直应力的影响,故只将σz作为研究对象。根据矿井已有的现场资料可知,3＃＋4＃煤层工作面埋藏深度为400m,采空区宽度为158m,煤柱的塑性区宽度为7m。由于早期开采技术的不成熟,沙曲矿选用大煤柱进行巷道的维护,考虑到大煤柱宽度可能对其下方底板岩层垂直应力分布规律造成很大影响,分别研究煤柱宽度为35 m、40 m、45m、50m、55m、60m时,不同宽度大煤柱时的极限载荷σ1,考虑到附加垂直应力σz与γH的比值即为应力集中系数,最终代入式(7)可以得到不同宽度大煤柱下底板岩层垂直应力集中系数为:

通过Matlab软件计算可得不同宽度大煤柱下底板岩层垂直应力等值线如图3所示。

由图3可知,大煤柱支承压力按一定的扩散和衰减规律向底板岩层传递,而不同宽度大煤柱下底板岩层的应力分布状态及影响范围有如下规律:

(1)当留设煤柱宽度较大时,其下方底板岩层中的垂直应力呈双峰(马鞍形)分布,应力峰值点在一定深度内靠近煤柱边缘,并在煤柱中心处出现“谷底”。随着煤柱宽度的继续增大,底板岩层中应力集中程度不断降低,且峰值处最大应力集中系数也在减小。

(2)随着距底板岩层深度的增加,煤柱下岩层中的垂直应力不断减小,峰值也相应的降低且逐渐向采空区侧转移,而应力分布和作用范围逐渐增大,即呈现扩散和衰减变化。通过对比不同宽度煤柱下方的垂直应力等值线可以看出,底板岩层中垂直应力集中区域的竖向范围基本不受煤柱尺寸变化的影响,因此,针对不同宽度煤柱的条件,其底板岩层垂直应力显著影响深度主要集中在27 m以浅,当深度大于27 m后,应力变化趋势逐渐缓和。

(3)在大煤柱载荷作用下,其正下方一定范围内的岩层为应力集中区,同时应力不断向采空区扩展并减小,从而距煤柱边缘一定距离将形成应力降低区,两者以原岩应力等值线为界,且该原岩应力等值线在一定深度范围内为远离煤柱斜向采空区底板岩层的曲线。

由于5＃煤层与3＃＋4＃煤层平均层间距离为5.5m,因此,5＃煤层距3＃＋4＃煤层底板的垂直距离z为5.5m,代入式(8)可以得到该煤层垂直应力分布的计算公式为:

图3　不同宽度大煤柱下底板岩层垂直应力等值线图

由式(9)可知,当σz为γH时,x所对应的值即为5＃煤层垂直应力大小等于原岩应力的位置。分别代入不同宽度煤柱承受的极限载荷σ1,通过数值计算可以得出,当煤柱宽度由35m增至50m 时,x所在位置由距离煤柱边缘4.5 m减小至3m,随着煤柱宽度的继续增大,原岩应力位置基本保持在距离煤柱边缘3m附近。同时,在距离煤柱边缘3～4.5m以外,5＃煤层所受集中应力迅速降低,直到低于原岩应力γH,因此,为减少煤柱对下煤层回采巷道的影响,应尽可能将巷道布置在应力降低区内,并与煤柱边缘保持一定距离。图4为不同宽度大煤柱下5＃煤层的垂直应力集中系数σz/γH与距煤柱中心距离的关系。

图4　不同宽度大煤柱下5＃煤层应力分布规律图

综合分析图4可知,煤柱宽度的变化对5＃煤层的垂直应力影响较大,峰值处应力集中程度随着煤柱宽度的增大而降低,当大煤柱宽度相对较小时,5＃煤层垂直应力分布呈“双峰”形状,且峰值处应力集中系数较高,当大煤柱宽度相对较大时,其垂直应力分布呈“三峰”形状,且峰值处应力集中系数较低。当煤柱宽度由35m增加到45m 时,峰值处垂直应力集中系数由3.70减小至3.10,此区间范围内的煤层大致呈“双峰”形状的应力分布;当煤柱宽度由45 m增加到60 m时,其两侧峰值垂直应力集中系数由3.10减小至2.55,此区间范围内的煤层呈“三峰”形状的应力分布,尤其当煤柱宽度增大到60m时,煤柱中心处的应力峰值与两侧峰值大小基本相同,但两侧峰值附近垂直应力衰减的速度最快;随着煤柱宽度的进一步增大,煤柱两侧峰值垂直应力逐步减小直至平缓,而其中心处垂直应力大小基本没有变化,煤层的垂直应力分布逐渐向正梯形过渡。

2.2大煤柱下应力非均匀分布特征分析

在煤柱压力作用下,底板受其影响的应力分布差异性很大,其应力非均匀分布特征明显,且影响区域主要集中在煤柱到采空区的过渡阶段。对于不同水平截面上的底板而言,离煤柱边缘越近则应力不均匀程度越大,远离煤柱则应力不均匀程度越小;对于同一水平面上的底板而言,随着离煤柱距离的增大,其应力不均匀程度也趋于缓和。考虑到非均匀载荷作用也会对回采巷道造成一定程度的破坏影响,因此,当设计极近距离下部煤层回采巷道位置时,不但要考虑尽可能布置在应力降低区内,还应考虑煤柱下底板应力场的不均匀程度对巷道围岩结构的影响。本文采用应力改变率K来衡量5＃煤层垂直应力的不均匀程度,即:

式中:σz(x)——5＃煤层的垂直应力分布函数。

由式(10)可知,随着垂直应力不均匀程度的降低,应力改变率K值将相应地减小。为了提高煤炭资源回收率,尽可能减少煤柱损失,依据矿井巷道特点及一般工程设计精度要求,当作用于巷道顶板两侧载荷相差小于25%时,其对巷道的影响可通过适当的支护措施加以解决。因此,结合式(9)可以得到各应力状态下应力改变率的极限位置(即巷道顶板两端的载荷相差小于25%的位置),并将该位置到煤柱边缘的水平距离作为垂直应力不均匀程度的影响范围。当煤柱宽度由35 m增至45m时,垂直应力不均匀程度影响范围由8m减小至4m,随着煤柱宽度的继续增大,该影响范围受煤柱宽度的影响很小并基本保持不变。

综合考虑应力值以及应力改变率的极限位置,结合沙曲矿3＃＋4＃煤层留设45m宽大煤柱的实际情况,确定25301工作面胶运巷布置在24301工作面胶运巷内错4m位置处较好。

3　工程实践

矿井25301工作面胶运巷最终采取内错4m布置,巷道布置剖面示意图如图5所示,巷道现己准备完毕,采用锚网索联合支护。实测结果表明巷道在整个掘进期间,顶底板移近量一般在45～80 mm,巷道无明显变形;在25301工作面回采过程中,对胶运巷超前影响范围达到30m,巷道顶底板累计移近量基本维持在124～165mm,两帮累计移近量为105～142mm。从现场实测数据可以看出,25301工作面胶运巷相对24301工作面巷道内错4m布置时,支护效果较好,且无明显变形,没有出现强烈的矿压显现。

图5　25301工作面剖面图

4　结论

(1)在弹性理论的基础上,结合煤柱承受载荷的计算公式求得底板岩层中任意一点的附加垂直应力,揭示了不同宽度大煤柱下5＃煤层的垂直应力分布规律。

(2)综合考虑应力值以及应力改变率的极限位置,结合矿井煤层留设煤柱的实际情况,最终确定25301工作面胶运巷采用内错4m布置。

(3)工程实践表明,沙曲矿25301工作面胶运巷采用内错4m布置较为合理,巷道采用锚网索联合支护效果较好,无明显变形,矿压显现也较为缓和,研究成果可为类似条件下回采巷道布置提供参考。

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(责任编辑张毅玲)

Researchoneffectofpillarwidthinreasonablegatewayposition ofextremelyclosecoalseamgroup

LiYang
(CollegeofResources&SafetyEngineering,ChinaUniversityofMining andTechnology,Beijing,Haidian,Beijing100083,China)

AbstractAccordingtothemininggeologicalconditionsofextremelyclosecoalseams,we obtainedtheanalyticalsolutionofadditionalverticalstressatanypointinfloorstratum wasderivedonthebasisofelastictheory,andthecontourmapofverticalstressinfloorstratumunder coalpillarswithdifferentwidthweredrew,andtheverticalstressdistributionregularityofNo.5 coalseam wasrevealed,combinedwiththenon-uniformstressdistributioncharacteristicsunder thelargepillars,itwasdeterminedfinallythatthereasonablepositionofhaulageroadwayin 25301workingfaceofNo.5coalseamunderlargecoalpillarwith45mwidthinShaquMinewas disposedstaggerlywith4m width. Fieldpracticeshowedthattheroadwaysupporteffectwas good,andtherewasnoobviousdeformationandstratapressurebehavior.

Keywordspillarwidth,mininginextremelyclosecoalseamgroup,roadwaylayout,reasonablegatewayposition

中图分类号TD822

文献标识码A

基金项目:∗深部煤矿采动响应与灾害防控安徽省重点实验室开放基金(KLDCMERDPC14105),973计划前期研究专项(2014CB260403),国家自然科学基金资助项目(51504005)

作者简介:李杨(1990－),男,山西省临汾人,中国矿业大学(北京)博士研究生,主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究工作。