马脊梁矿8113工作面沿空掘巷窄煤柱合理尺寸探讨

2019-11-01王英杰刘宏

同煤科技 2019年5期

王英杰刘宏

(大同煤矿集团有限责任公司马脊梁矿,山西大同)

1 前言

工作面开采过程中,上覆岩层活动剧烈,矿压显现复杂,并由此带来的应力集中现象,也更容易发生煤与瓦斯突出。而为了缩短回采巷道掘进准备时间,工程上更多地采用沿空掘巷,留窄煤柱的方式[1]。煤柱宽度越窄,矿区资源的回收率也就越高,带来的经济效应也就越显著,但同时煤柱内及巷道的变形也就越强烈[2],准确地确定工作面的沿空巷道煤柱的尺寸对于节约资源和安全生产具有重大意义。

2 沿空掘巷窄煤柱合理宽度理论计算

相关理论认为,区段煤柱的宽高比(W/H)在很大程度上制约着煤柱及巷道的稳定,一般认为W/H 在3～5 之间为屈服煤柱,W/H 在5～10 之间为临界煤柱,W/H 大于10称为支撑煤柱[3]。现场实践表明,屈服煤柱在有效减小冲击矿压,抑制巷道内的底鼓问题时具有很好的作用。屈服煤柱是允许煤柱和巷道产生一定的变形,通过将载荷转移到周围实体煤的形式,降低其集中应力程度,对防止由于大量聚集的弹性能的突然释放而造成的冲击矿压现象具有重要意义。所以选用较小宽度的屈服煤柱,既能减小矿井煤炭资源的损失、又能增强沿空巷道及煤柱的稳定性。

根据沿空掘巷煤柱宽度留设的基本要求,在简化计算模型和增强锚杆锚固力的前提下,综合分析影响围岩稳定性的主控因素,并按照小煤柱护巷技术把回采巷道布置在靠近采空区侧的卸压区内的原则,文献[4]给出了合理煤柱宽度B 的计算公式：

式中,X1为采空区侧煤体中产生的塑性区宽度,m；X2为帮锚杆的有效长度,m；X3为考虑煤层厚度较大而增加的富裕量,一般取(X1+X2)的30～50%。

煤柱采空区侧塑性区长度X1计算公式如下：

式中,m为煤层厚度,m；A为测压系数；φ0为煤体的内摩擦角,°；C0为煤体的粘聚力,MPa；K为应力集中系数；γ为上覆岩层的平均容重,kg/m3；H为巷道埋深,m；PZ为支架对巷帮的支护阻力,在采空区侧取值为零。

根据煤柱宽度理论计算根据8113 工作面的实际情况,将相关参数带入以上计算公式得到煤柱留设宽度B在6.5 m～8 m 较为合理。

3 工作面沿空掘巷窄煤柱数值模拟分析

3.1 工程开采地质条件

该工作面地表位于窑洞村北西方向、马脊梁大沟两侧,地表为沟谷相间的黄土地貌,洪水冲刷剧烈,“V”字型沟谷发育,主要发育马脊梁大沟、达子沟及其支沟,其余大部分为耕地、幼树、荒草地,有5条村村通公路穿越该工作面,地面高差为88.2 m。地面标高为1 280.3 m～1 368.5 m。

工作面位于14-3#一水平301-2 盘区,工作面标高为852.3 m～904.1 m,倾向长度为239.4 m,走向长度为2 377.0 m,工作面倾角为1°～5°,平均3°。其地质柱状图如图所示。

3.2 煤岩层物理力学参数

工作面煤层为稳定型煤层,可采指数为1,含1～6层夹矸,厚0.05 m～2.15 m,纯煤平均厚6.1 m,夹矸岩性多为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩,局部有煌斑岩,由于煌斑岩侵入,使一部分煤发生变质,从而形成变质煤和硅化煤。

老顶为含砾粗砂岩,厚度2.0 m～12.02 m,平均5.57 m,灰白色,中厚层状,分布不均,分选性差。直接顶为砂质泥岩,厚度0.75 m～3.0 m,平均2.83 m,深灰色、块状,易碎,断口平坦,局部含有铝土岩,灰白色,块状,胶结致密。

工作面煤层顶板未发现伪顶。

煤层直接底为高岭岩,厚度2.77 m～4.0 m,平均3.39 m,灰色,致密胶结,性脆易碎,含少量煤屑,断端口平坦。老底为粗砂岩至含砾粗砂岩,厚度4.20 m～10.70 m,平均7.44 m,灰白色,砾石成分石英、长石,含少量暗色矿物,胶结松散,半坚硬。

3.3 数值模拟分析

以该8113工作面的工程地质条件为研究对象,采用FLAC3D数值模拟软件进行数值模拟。建立了一个以x 轴为地层走向,y 轴为地层倾向,z 轴为垂直方向的三维模型。模型尺寸为700 m×250 m×250 m,模拟岩层为11 层。8113工作面两侧分别为8111工作面和8115 工作面,在上下两个工作面采完之后,8113 工作面回风顺槽和运输顺槽与采空区之间留有窄煤柱。工作面埋深平均550 m,工作面开采宽度为270 m,地层倾角取平均值11°。工作面前后均设50 m的边界煤柱。根据工作面埋深550 m,计算得到模拟时的垂直应力为11.5 MPa。模型四周限制位移条件,侧面在水平方向上固定,底面在垂直方向上固定。测压系数取0.61,选取摩尔-库伦准则对数值方案进行模拟。

为确保模型计算结果的精确性,在x 轴和y 轴方向上,确保每个网格单元为5 m,煤层区域适当加密,最终模型共392 000 个单元。加载地应力后,模型运算至收敛平衡。按照采场的实际开采顺序,在模型建构好之后,先开挖8111 工作面,稳定后再开挖8115工作面,最后按每30 m 一步,共开挖150 m 的距离分步开挖8113工作面。

图1 数值模型示意图

为研究工作面沿空掘巷情况下煤柱应力及稳定性情况,首先对留设的窄煤柱宽度进行分析研究,根据前文计算得到的煤柱宽度理论计算值,将模拟宽度选为3 m、5 m、7 m、9 m 四种情况,根据不同情况下煤柱应力及位移情况确定最佳宽度。

图2 不同宽度煤柱下应力分布

从上图中可以看出,当煤柱宽度为3 m 时,在沿空掘巷巷道的右侧实体煤中出现应力集中区,集中区距离巷道煤壁约10 m 左右,应力峰值为22.6 MPa,此时与煤柱接触的顶底板区域出现应力减小现象,煤柱中心压力峰值达到29.02 MPa,应力集中系数为1.7。说明此时煤柱破坏开始从上下部分向中部塑性发育,煤柱状态并不稳定；当煤柱宽度为5 m 时,巷道右侧实体煤中应力集中范围减小,距巷道煤壁7m 左右,峰值为22.5 MPa,但较3 m 煤柱集中应力的面积也明显减小,煤柱内部应力峰值为28.98MPa,较3m 时变化幅度不大,但集中范围贯穿整个煤柱,此时整个煤柱正在承受较大应力,如果应力加大则极有可能出现破坏状况；当煤柱宽度为7 m 时,此时煤柱内部出现应力集中区,集中范围在3 m～4 m,集中区的应力峰值25.2 MPa,说明此时煤柱内部出现了较稳定的区域,即煤柱“核区”,煤柱处于稳定状态；当煤柱宽度为9 m 时,此时煤柱内部的核区宽度处于煤柱中心位置,范围在4 m～5 m,核心区应力峰值25.3 MPa,与煤柱宽度为7 m 时相差不大,说明继续加大煤柱宽度并不能将核区范围显著增加,但却会进一步浪费煤炭资源。根据数值模拟结分析可知,,确定合适的煤柱留设宽度为7 m。

图3 留设7 m煤柱时工作面回采过程中应力分布

根据前文前文确定的7 m 窄煤柱留设宽度,模拟8113 工作面回采过程中分别开挖30 m、60 m、90 m、120 m、150 m 情况下的煤柱受力情况,根据工作面回采过程中煤柱受力特征的模拟结果分析可知,工作面进行回采时上下煤柱受力情况比沿空掘巷时复杂的多,且表现为上煤柱应力峰值要小于下煤柱应力峰值。随着工作面的持续推进,煤柱所受的最大应力值由25 MPa 增加到40 MPa,与未开挖时相比,应力峰值出现先减小后增大的趋势,这是由于开切眼后造成应力向周边转移而持续开挖后煤柱承受工作面支承应力的缘故。开挖过程中,煤柱并未出现应力减小或分布不均的情况,说明在此煤柱留设宽度下,工作面开挖带来的应力增大并未对留设煤柱稳定性造成影响,7 m的留设煤柱宽度是合理的。