沿空掘巷窄煤柱合理宽度研究
2020-06-10李江浩
李江浩
(山西霍宝干河煤矿有限公司,山西 临汾 041602)
1 工程概况
干河煤矿目前正准备进行设计长度为160m 的2-105 工作面的布置,设计与工作面匹配的净宽度为4800mm、净高度为3500mm、净断面积16.8m2的2-1051 回风顺槽及2-1052 运输顺槽。2-105 工作面开采平均倾角6°、平均厚度为4.2m 的2#煤层。煤层1.7m 厚的基本顶由中粒砂岩构成,直接顶为砂质泥岩,平均厚度为6.4m,无伪顶;煤层基本底和直接底为中粒砂岩和砂质泥岩,平均厚度分别为10.6m 和1.1m。原来一直采用20m 护巷煤柱的宽度,为提高回采率,需进行窄煤柱沿空掘巷研究。
2 沿空掘巷窄煤柱合理宽度的理论研究
2.1 沿空巷道围岩力学结构模型分析
沿空掘巷围岩力学模型如图1 所示。上区段工作面回采结束后,顶板由于没有支撑点而发生弯曲、断裂及垮落,基本顶与覆岩出现离层现象,形成图1 中岩块A、B、C 破断形式。图中岩块A并未发生明显变形,静置于煤层上方;岩块B 一侧位于实体煤内,另一侧位于采空区,故沿断裂线发生回转、弯曲、下沉,其决定覆岩结构的稳定性,故又称为关键块B;岩块C 是全部由采空区矸石支撑的断裂块。
图1 沿空巷道围岩力学结构模型
当采空区覆岩运动稳定后,会形成如图1 中所示的S0内应力场、S1外应力场、S2原岩应力场。显然S0内应力场的支承压力由已断裂覆岩自重和其运动情况决定,S1外应力场则由于受到巷道开挖影响而成为应力升高区,S2原岩应力场的支承压力即为覆岩自重。故为了保证窄煤柱及沿空巷道的稳定性,应将窄煤柱及沿空巷道布置在S0应力场内。
2.2 窄煤柱宽度上限值的计算
根据“内外应力场”理论[1]可计算出沿空掘巷所留窄煤柱的上限值,沿空掘巷所在工作面初次来压时所受基本顶自重与工作面内应力场区域所受的支承压力相等。基本顶自重由式(1)确定。
式中:
l-2-105 工作面的设计长度,取160m;
γ-2-105 工作面覆岩基本顶的容重,26.2N/m3;
b-2-105工作面覆岩基本顶的初次来压步距,m,可由式(2)计算得到;
h-基本顶厚度,6.2m。
式中:
q-工作面基本顶所受覆岩载荷,521.3kPa;
σt-基本顶的抗拉强度,4.6MPa。
S0内应力场区域内的支承压力F 由式(3)确定。
式中:
y0-煤柱表面煤壁的压缩量,0.5m;
G0-临近采空后覆岩发生破断时断裂线周围煤体进入塑性状态后的刚度,646MPa。
联立上述三式,即可确定S0内应力场宽度的求解公式为式(4)。
将2-105 工作面相关数据代入式(4)即可求得2-105 工作面沿空掘巷时S0内应力场宽度为12.6m。由于2-1052 巷设计宽度为5m,故窄煤柱的上限宽度L上应小于等于7.6m。
2.3 窄煤柱宽度下限值的计算
由围岩极限平衡理论[2]可得到式(5),计算出沿空掘巷留设窄煤柱的最小宽度,如图2 极限平衡理论窄煤柱理论计算示意图,所设计窄煤柱的右侧为上一工作面的采空区,左侧为2-1052 巷道。
图2 窄煤柱计算模型
式中:
X-理论计算得到的2-1052 巷护巷窄煤柱的宽度,m;
X1-2-1052 巷护巷煤柱的稳定性系数,可由式 0.2(X0+X2)计算得到;
X2-2-1052巷支护参数中锚杆的有效锚固长度,为2.4m;
X0-2-1052 巷右侧工作面采空区应力作用下形成的塑性区宽度,可由式(6)计算得到。
式中:
m-2-105 工作面设计采高,取4.2m;
k-2-1052 巷所受集中应力系数,为3;
λ-2-1052 巷所受侧压系数,取0.15;
γ-所采2#煤层的覆岩平均容重,取24.8kN/m3;
P0-设计支护参数下2-1052 巷护巷煤柱所受到的支护阻力,取0.2MPa;
C0-2-105 工作面所采2#煤的粘聚力,取2MPa;H-设计沿空掘巷2-1052 巷的埋深,取200m;φ0-2-105 工作面所采2#煤的内摩擦角,取22°。
由上述参数及式(6)计算得出2-1052 巷右侧工作面采空区应力作用下形成的塑性区宽度,X0=0.9m,进一步计算出煤柱稳定性系数X1=0.66,故本工作面所留设窄煤柱的最小宽度为3.96m。
综上,经过理论分析得出2-105 工作面沿空掘巷窄煤柱留设的上下限分别为7.6m 和3.96m。
3 沿空掘巷窄煤柱合理宽度的数值分析
3.1 建立模型
以2-105 工作面2-1052 巷留窄煤柱沿空掘巷为研究对象,通过FLAC3D软件借鉴其他留设窄煤柱沿空掘巷的建模经验[3-4],建立长宽高分别为200m、300m、82.5m 的模型。模型顶底板岩层力学参数的选取见表1,研究上区段工作面受不同宽度窄煤柱影响下侧向支承压力的分布特征及掘进过程中巷道的表面位移量,在模型的上边界施加4MPa的等效载荷替代煤层埋深200m 的覆岩载荷。结合上文所确定的窄煤柱的取值范围,本次模拟先后分析留设3m、4m、5m、6m、7m、8m 的窄煤柱进行护巷时煤柱及巷道的应力场分布来确定窄煤柱的合理宽度。
3.2 合理窄煤柱宽度的数值模拟分析
如图3 为不同宽度窄煤柱影响下巷道煤柱帮侧向支承压力的分布特征曲线图。3m、4m、5m 窄煤柱宽度下煤柱所承受的垂直应力峰值均小于原岩应力,说明这种宽度的煤柱没有对覆岩形成良好的支撑;所留设窄煤柱宽度为7m、8m 时煤柱帮内的垂直应力峰值较6m 窄煤柱条件下的垂直应力峰值无大幅提升,说明6m 窄煤柱所形成的17.8MPa 的垂直应力已经能够对覆岩形成良好的支撑,7m、8m宽的煤柱对覆岩的承载作用无明显提升。从2-1052巷沿空掘巷侧向支承压力的分布特征分析,6m 窄煤柱即可满足该条巷道的掘进及使用。
图3 不同宽度窄煤柱影响下巷道煤柱帮侧向支承压力的分布特征
表1 2-1052 巷沿巷道掘进稳定后的表面位移量
表1 为模拟2-1052 巷留设不同宽度窄煤柱护巷进行沿空掘巷时后方所掘巷道稳定后的表面位移量的模拟结果。8m 宽窄煤柱护巷时的顶底板移近量较3m 宽时下降76.2%,两帮移近量下降74.6%;6m 宽窄煤柱护巷时的顶底板移近量较3m、4m、5m 宽时分别下降70.8%、68.8%、14.4%;而7m、8m 宽窄煤柱护巷时的顶底板移近量较6m 时下降7.7%、12.7%。6m 宽窄煤柱护巷时巷道掘进稳定后的表面位移量已经控制在允许范围内,煤柱宽度的增加虽可进一步控制其变形量,但是并无重大意义。故确定2-1052 巷沿空掘巷窄煤柱的合理宽度为6m。
3.3 窄煤柱应用效果
现场应用6m 窄煤柱进行2-1052 巷的沿空掘巷作业,在距离掘进迎头20m 处使用多点位移计布置深部围岩位移监测站,监测60d 至围岩稳定,数据整理结果如图4 所示。
图4 2-1052 巷沿空掘巷时的两帮深部位移量
留设6m 窄煤柱进行2-1052 巷沿空掘巷后,煤柱帮的变形量大于实体煤帮的变形量,煤柱帮深基点的最大变形量虽达到100mm,但是其产生变形的区域为煤柱帮0~2m 及3~4m 范围内,煤柱帮仍能保持完整,可以保证巷道的安全掘进及正常回采。
4 结论
以2-1052 巷留窄煤柱沿空掘巷试验工程为背景,通过理论计算及数值模拟等方式确定了合理的 护巷窄煤柱宽度为6m。2-1052 巷留6m 窄煤柱沿空掘巷作业布置的围岩深部位移监测站显示,2-1052巷煤柱帮主要在0~2m 和3~4m 内发生最大124mm的变形,但煤柱的完整性并没有遭到破坏,煤柱帮仍能保持完整,说明6m 的窄煤柱能够保证2-1052巷的安全掘进及2-105 工作面的正常回采。