黑龙煤业2103工作面停采线合理位置确定

2019-12-12左文录

煤 2019年12期

左文录

(潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司，山西蒲县 041200)

1 工作面概况

黑龙煤业2103综采工作面位于11号煤层21采区，工作面主采9+10+11号煤层，9号煤与10+11号煤之间有一层厚度平均为1.6 m的夹矸，10号与11号煤层合并，9号煤平均厚度0.8 m，10+11号煤平均厚度4.8 m，故9+10+11号煤层平均厚度为7.2 m，平均倾角为4°，煤层伪顶为泥岩，均厚0.4 m，基本顶为石灰岩，均厚13.7m，直接底为泥岩，均厚7.42 m，基本底为细砂岩，均厚3.43 m，煤层顶底板岩层特征如表1所示。工作面沿走向布置，倾向长度190.5 m，走向可采长度为655 m；东面为9+10+11号煤层运输大巷、轨道大巷、回风大巷；西面为矿井井田边界保护煤柱；北面是未开采区域；南面为已采2101工作面，与原2101回风巷之间保护煤柱30 m。为提高煤炭资源采出率，对2103工作面停采线的合理位置进行了研究。

2 煤柱覆岩结构分析

在工作面回采过程中，随着工作面与大巷距离不断缩小，当工作面推进至一定程度时，基本顶会在大巷煤柱上方出现破断，形成铰接结构，并以断裂线为旋转轴产生转动，在基本顶旋转下沉至与采空区矸石接触时，此时基本顶的旋转下沉便会达到稳定状态，上覆岩层的荷载会通过铰接结构向煤柱内部传递，在煤柱内部形成应力降低区、增高区及稳压区[1-2]，具体煤柱应力分布情况如图1所示。

图1 工作面回采后应力分区示意

在工作面回采后，上方基本顶会发生垮落，形成砌体梁结构，如图2(a)，为了进行力学分析，对砌体梁进行简化处理，采用多跨梁的理论进行分析，简化后模型如图2(b)，图中q' 为基本顶承受的均布载荷；P1为大巷内对顶板的支护力；q为关键块体B上的受力；K为煤柱的等效弹性模量，θ为块体B的倾斜角度；F1为关键块体B受到垮落矸石的支撑力；F为煤柱的实际支撑力；FS为煤柱等效塑性支撑力；FN为垮落矸石对块体B的支撑力；F2为垮落矸石对块体C的支撑力。现为方便分析，假设煤柱存在两种状态，一种状态为大巷煤柱内存在一定宽度的弹性核区，此时的煤柱处于弹性状态，当大巷煤柱处于全部塑性破坏状态时，视为煤柱处于塑性状态。

图2 回采完毕后砌体梁结构受力

基于理论分析能够得出，大巷煤柱作用点B的挠度wb，如式(1)所示：

(1)

为方便计算，对公式进行转化，分别设：

转化后的公式为：

wb=μP1+χF+δQ+αq'

(2)

煤柱在集中应力F、Q、P1、q' 的共同作用下，基本顶破断后的悬臂梁会产生向下弯沉的现象，则基于大巷处于弹性状态和塑性状态时，能够得出煤柱的实际支撑力状态如下：

1) 煤柱处于弹性状态时，此时2F+qx0

2) 煤柱处于塑性阶段时，此时2F+qx0>Fs，此时煤柱内存在着很小的弹性核区，或者不存在弹性核区，煤柱不能承受住上覆岩层传递过来的应力，在煤柱内部会发生严重的破坏，煤柱基本全部处于塑性状态。

3 合理停采位置分析

3.1 大巷煤柱合理宽度确定

3.1.1 理论分析

工作面回采过程中，覆岩的垂直应力会逐渐向前移动，工作面前方的支撑压力也会逐渐增大，回采工作面在煤壁前方会形成支承压力集中现象，煤柱在采动影响下的弹塑性分布如图3所示，图中L1和L3区域为煤柱的塑性区，L2为煤柱的弹性核区[3-4]。

图3 采动影响下煤柱弹塑性分布

应用弹塑性极限平衡理论可知，在保障护巷煤柱宽度内存在一定宽度的弹性核区时，弹性核区的宽度L2应为煤层开采高度的三倍，合理护巷煤柱宽度L、塑性区L1、L3的计算式如下：

L=k(L1+3M+L3)

(3)

式中：k为安全系数；M为煤层厚度，取7.2 m；c为煤层与顶底板接触时的粘聚力，取0.8 MPa；d为开采扰动因子，取3.1；β为弹性核区域屈服界面处的侧压系数，取0.21；σz1为煤柱的极限抗压强度，取11.94 MPa；Px为煤壁的侧向约束力，取1.0 MPa；r0为回风大巷巷道宽度的一半，取2.5 m；g为重力加速度，取9.8；h为煤层的开采深度，取230 m；pi为巷道一侧的支护阻力，取0.55 MPa；φ为煤层与顶板接面的摩擦角，取21°。

将数据代入公式计算得到：L1=8.62 m，L3=1.0 m，L2取3M为21 m，k取1.3，最后得到合理大巷护巷煤柱宽度L=39.8 m。

3.1.2 数值模拟

为进一步确定2103工作面停采线的合理位置，现采用FLAC3D数值模拟软件，根据2103工作面的地质情况，建立长×宽×高=250 m×100 m×50 m的数值模型，在模型左右边界分别留设20 m的边界，分别模拟大巷煤柱宽度为50 m、46 m、44 m、42 m时，煤柱塑性区的发育情况，模拟结果如图4所示。

图4 不同大巷煤柱宽度下煤柱塑性区发育情况

由图4可知，煤柱宽度为50 m时，大巷煤柱区域存在着部分塑性区域，煤柱在靠近工作面侧存在着4～5 m的塑性破坏区域，煤柱整体处于稳定状态，随着煤柱宽度的减小，大巷煤柱弹性区的范围逐渐减小，塑性区的范围逐渐扩大，且大巷煤柱帮的塑性区范围也在逐渐扩大，表明大巷围岩的变形量随着煤柱宽度的减小在逐渐增大，在大巷煤柱宽度为44 m时，此时靠近回风大巷侧存在着5 m的弹性区，该区域煤体未破坏，有稳定的承载能力，当煤柱宽度为42 m时，煤柱已经全部处于塑性状态，无法有效形成承载结构。通过具体分析数值模拟结果，得出当煤柱宽度为42 m时，煤柱内部呈现出单峰分布，当煤柱宽度在44 m以上时，煤柱内部呈现双峰分布。

基于理论分析及数值模拟结果，综合2103工作面和回风大巷的具体地质情况，确定2103工作面与回风大巷间的煤柱宽度为44 m，即2103工作面停采线位置距离回风大巷间的煤柱宽度为44 m。

3.2 效果分析

为有效验证2103工作面与回风大巷间煤柱留设宽度的合理性，在2103工作面回采期间，通过在煤柱内安设钻孔应力计进行矿压监测，在煤柱上分别打设1～8 m深度的钻孔，钻孔直径为40 mm，具体煤柱应力计安装如图5(a)所示，支撑应力-工作面与停采线距离的变形曲线，如图5(b)所示。

由图5(b)可知，深度为8 m的钻孔应力计初始应力为2.90 MPa，该应力基本与巷道该深度处的原岩应力相同，随着工作面回采作业的进行，应力有所增大，增加幅度较小，仅增加了0.36 MPa，另外其余2 m、4 m、6 m的钻孔应力计的变化规律基本与8 m钻孔应力计的变化趋势相同，6 m钻孔的初始应力和最终应力分别为2.80 MPa和3.15 MPa，1 m深度的钻孔应力计中的应力值较小，钻孔应力的最大值为1.25 MPa，且该深度钻孔应力计随着回采作业的进行钻孔应力出现降低，表明煤体在1 m范围内出现了塑性破坏，但煤体仍具有一定的承载能力，由此可知，留设44 m的煤柱时，煤柱内存在较大的弹性核区，能够保障煤柱和回风大巷的稳定。