峁底煤矿10104工作面区段煤柱合理尺寸研究

赵志龙

(1.华润煤业(集团)有限公司,太原 030024;2.太原华润煤业有限公司 原相煤矿,山西 古交 030200)

煤柱作为保证煤矿安全开采的重要组成部分,在煤矿生产中起着支撑上覆岩体、隔离采空区和维护回采巷道的稳定性等重要作用。近些年来,随着我国煤炭技术人员的深入研究,逐渐发明了无煤柱开采工艺(如柔模混凝土沿空留巷技术以及切顶卸压沿空留巷技术等),并在一部分矿井进行了实践。尽管无煤柱开采技术有着很多的优势,但也存在着一些缺陷,如沿空所留巷道底臌严重、切顶卸压留巷对顶板硬度以及完整性要求较高等。由于我国的煤矿地质条件千差万别,因此，留设煤柱保护回采巷道还是现阶段我国绝大部分煤矿采用的主要方式[1-6]。

本文针对峁底煤矿的实际生产条件,采用理论计算与数值模拟相结合的手段,对于峁底煤矿东翼10104工作面的煤柱尺寸进行计算,并为本矿井其他工作面留设煤柱提供参考。

1 工程概况

山西兴县华润联盛峁底煤矿采用斜井开拓,10104工作面煤层赋存于山西组中下部,下距K7砂岩4.80 m。煤层厚度为2.91～3.19 m,平均2.55 m,为井田稳定可采煤层,井田内煤层厚度变化不大。煤层结构为简单—中等。煤层顶板主要为泥岩和细砂岩,时有炭质泥岩伪顶,厚度9.60～15.60 m,平均13.12 m。底板为泥岩,厚度为2.95～6.65 m,平均4.92 m。10104工作面埋深400 m左右,工作面长度155 m,工作面推进长度1 000 m,工作面回采巷道沿煤层底板掘进[7]。图1为10104工作面布置图。

图1 10104工作面布置图Fig.1 10104 working face layout

2 区段煤柱合理尺寸留设应遵循的原则

传统壁式采煤体系中,一般将采区(盘区、带区)划分为若干区段,每个区段布置一个采煤工作面。为便于采煤工作面顺槽巷道维护,使每个采煤工作面形成独立生产系统,需在相邻工作面邻近顺槽巷之间留设一定尺寸的煤柱,形成了区段煤柱[8]。

从形成和留设看,区段煤柱主要有以下三个作用：一是支撑作用,有效支撑顶板,防止顶板下沉或垮落;二是护巷作用,有效保护顺槽巷道,形成采煤工作面独立的生产系统;三是隔离作用,形成隔离带,防止相邻工作面或采空区积水、有害气体涌入本工作面,或本工作面风漏进邻近采空区。

因此,从区段煤柱的成因、作用以及应力分布规律角度,理论上研究区段煤柱合理尺寸应遵循以下原则。

1)实用性。煤柱尺寸必须满足隔离和护巷作用,能够有效地保护顺槽巷道形成采面独立的生产系统,能够形成隔离带防止和邻近工作面或采空区有裂缝贯通,要求煤柱中部不破坏，留有“弹性核”。

2)安全性。煤柱必须起到支撑性作用,能够有效支撑顶板，严防自身被压垮,要求煤柱必须有一定强度。

3)资源节约。要求煤柱在满足上述原则的基础上,尺寸尽可能最小。

3 区段煤柱计算

3.1 用宽度条件计算区段煤柱尺寸

使区段煤柱能够保持稳定条件:当煤柱的上、下侧塑性区宽度为x0,x1时,煤体中央的弹性核宽度应大于等于煤柱高度h的2倍,煤柱的宽度B应满足B≥x0+2h+x1。2h是经验数据,应建立煤柱的力学模型分析弹性核的临界宽度l1。由文献[9]中公式计算区段煤柱的合理宽度B为:

B≥x0+l1+x1.

(1)

3.2 区段煤柱塑性变形区宽度确定

区段煤柱塑性变形区宽度计算力学模型如图2所示。

x0，x1-区段煤柱上、下侧塑性变形区宽度；σy -塑性区应力； τyx-顶底板分界面应力； K， K′-弹性核与顶底板界面下、上部塑性区与弹性核交界面上的应力集中系数；γ，H-上覆岩层的平均容重、煤层的埋深；px-支护设施等对煤壁沿x方向的约束力；τyx-剪切应力；两侧塑性区与弹性核交界面所受水平挤压应力图2 区段煤柱塑性变形区宽度计算力学模型Fig.2 Computational mechanics model of sectional coal pillar width of plastic deformation zone

由文献[5]公式计算塑性区与顶底板分界面应力σy和τyx是:

(2)

(3)

式中：σy为塑性区应力，MPa；τyx为顶底板分界面应力，MPa；h为煤柱高度，m；C0为煤柱与顶底板分界面的粘结力，MPa；φ0为内摩擦角，°；px为支护设施等对煤壁沿x方向的约束力，MPa；λ为塑性区与弹性核区的侧压系数,取0.3。

由文献[9]公式计算区段煤柱下、上侧塑性区宽度x1,x0:

(4)

(5)

式中：x0，x1为区段煤柱上、下侧塑性变形区宽度，m；K为顶底板界面下部塑性区与弹性核交界面上的应力集中系数，取2.5；K′为上部塑性区与弹性核交界面上的应力集中系数，取3.5；γ为上覆岩层的平均容重，kN/m3；H为煤层的埋深，m。

3.3 区段煤柱弹性核破坏临界宽度确定

建立如图3所示力学模型。

图3 区段煤柱弹性核临界破坏宽度计算力学模型Fig.3 Computational mechanical model of critical failure width of elastic core of section coal pillars

弹性核(体)应力分量:

(6)

(7)

(8)

区段煤柱弹性核破坏的临界宽度:

(9)

式中:C为煤体粘聚力,MPa。

3.4 区段煤柱宽度确定

公式(1)确定的煤柱尺寸存在一定的局限性,只是单方面考虑了开采支承压力这一静态因素对煤柱的宽度和稳定性的影响。没有全面考虑巷道掘进即开采时所受的扰动和实际动态因素对煤柱的影响。因此,基于此思想对煤柱计算公式进行修正。煤矿在井下开采时煤柱两侧由于受采动影响会形成一定宽度的松动圈,松动圈会使煤柱失去侧向约束力,降低煤柱的强度及稳定性,因此，确定煤柱尺寸时必须引进掘进影响因子α。

采煤方法及工艺的不同也会对煤柱产生不同的影响,所以确定煤柱的尺寸时必须引进开采扰动因子d的影响。

综合以上,将公式(1)修正为:

B≥l1+αd(x1+x0) .

(10)

式中:d为开采扰动影响因子,一般为1.5～3.0,取1.5;α为掘进影响因子,取1.32。

根据峁底煤矿煤、岩层参数，h取3.1 m,C取1.86 MPa,φ取18°,C0取1.5 MPa,φ0取24°,γ取25 kN/m3,H取600 m,λ取0.3,K取2.5,K′取3.5。把数值代入式(4)、式(5),计算得:x0=6.298 m,x1=6.411 m,l1=3.972 m。

把以上值代入式(9),计算得:B≥28.92 m。

综上,实际留设时,煤柱尺寸应取30 m。

4 基于数值模拟的煤柱尺寸验证

为确定峁底煤矿回采工作面区段煤柱的合理宽度,以10104工作面为工程背景,建立数值计算模型,根据煤层地质条件及现场实际情况,共设计了3个计算模型,工作面区段煤柱的宽度分别为20 m，25 m和30 m,分别论证是否满足强度及稳定性要求,进而确定回采工作面区段煤柱的合理宽度。

图4 FLAC3D生成模型Fig.4 FLAC3Dgenerative model

图5、图6、图7分别为三种不同宽度的区段煤柱在同一测点采动影响前后的塑性区云图。

图5 20 m煤柱塑性区云图Fig.5 Cloud map of plastic zone with 20-meter coal pillar

图6 25 m煤柱塑性区云图Fig.6 Cloud map of plastic zone with 25-meter coal pillar

图7 30 m煤柱塑性区云图Fig.7 Cloud map of plastic zone with 30-meter coal pillar

由图5可以看出,当区段煤柱宽度为20 m时,受10104工作面采动影响前(5(a)),10105工作面运输顺槽左帮破坏深度均为3 m,右帮破坏深度均为3.5 m；受采动影响后(5(b)),10104工作面煤柱侧破坏深度由3.5 m延伸到9 m,煤柱弹性区只剩2.5 m,小于煤柱高度的两倍(6.2 m),顶板和巷道塑性区破坏很大，且煤柱上方的塑性破坏区发生贯通现象,煤柱上方岩层发生严重破坏,顶板极易发生离层,下区段工作面底板的塑性区破坏深度大约为9 m,底板破坏严重。

由图6可以看出,当煤柱宽度为25 m时,受采动影响前(6(a)),左右帮破坏深度均为2.5 m；受采动影响后(6(b)),煤柱侧破坏深度由2.5 m延伸到7.8 m,煤柱弹性区只剩4 m,小于煤柱高度的两倍(6.2 m),顶板和巷道塑性区破坏很大，且煤柱上方的塑性破坏区发生贯通现象,表示煤柱上方岩层发生严重破坏,顶板极易发生离层,下区段工作面底板的塑性区破坏深度大约为7 m,底板破坏较为严重。

由图7可以看出,当煤柱宽度为30 m时,受采动影响前(7(a)),10104运输顺槽左右帮破坏深度均为2 m；受采动影响后(7(b)),煤柱侧破坏深度由2 m延伸到3.5 m,煤柱弹性区仍有12 m,大于煤柱高度的两倍(6.2 m),顶板和巷道塑性区破坏较小，且煤柱上方岩层破坏区未发生贯通现象,上覆岩层所受采动影响较小,发生整体离层现象可能性较小,下区段工作面底板的塑性区破坏深度大约为4.5 m,底板破坏相对较小。

由上述可知,当煤柱宽度为20 m，25 m时煤柱与巷道围岩处于失稳状态,煤柱宽度为30 m时煤柱与巷道围岩均处于稳定状态。

5 现场实测

在10104工作面轨道顺槽距巷道口127 m处布置测站,采用十字布点法布置测点,分别在顶底板中部和两帮中部垂直巷道壁面处钻直径30 mm、深度400 mm的钻孔,并将直径32 mm、长400 mm的木桩打入孔内。测站位置如图8所示。测点布置如图9所示。图10为巷道围岩表面位移移近量与时间的变形曲线。

图8 巷道表面位移测站位置Fig.8 Observation station position of surface displacement

图9 巷道表面位移测点布置Fig.9 Observation station layout of surface displacement

(a) 顶底板移近量

(b) 两帮移近量图10 巷道围岩表面位移移近量与时间的变形曲线Fig.10 Deformation curve of convergence and time of surface displacement

由现场实测可得，随着工作面推进,巷道顶板和两帮的位移量增加,且以顶板下沉为主。其中，顶底板的最大移近量为190 mm,两帮的最大移近量为230 mm。在距工作面50 m时,顶底板开始发生变形；当距工作面距离30 m时，变形速度增加,且最大变形速度为15 mm/d。当距工作面53 m时,两帮开始发生变形；当距工作面距离32 m时，变形速度增加,最大变形速度为20 mm/d。观测期间,煤柱侧巷帮局部破碎,距回风回采巷道15 m,距巷道底板1 m处，片帮深度达600 mm，宽750 mm,靠近煤柱侧顶板局部破碎、剥落。

6 结论

1)结合理论计算与数值模拟结果,10104工作面合理的煤柱宽度尺寸为30 m。

2)通过对其回采过程中的巷道位移变形量进行监测,得出巷道顶底板最大移近量为190 mm,两帮最大移近量为230 mm。

3)现场监测结果表明，本文所留设煤柱是合理的。