胶结充填采场顶板承载特性及煤柱稳定性分析

2022-01-11徐斌李永亮路彬李进

矿业科学学报 2022年2期

徐斌李永亮路彬李进

1. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;

2. 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京 100083

固废资源堆积、地表沉陷等问题是制约煤炭资源开发的重要阻碍[1-5],国内提倡绿色矿山建设,使得充填采煤成为解决上述问题、提高采煤率的重要措施[6-8]。充填采煤的最终目的是减小上覆岩层移动变形,降低地表沉陷。而在不同充填采煤阶段,采场顶板的支撑结构产生变化,其顶板承载机制依次经历煤柱支撑、煤柱与充填体协同支撑、充填体支撑3 个阶段[9]。在煤柱与充填体协同支撑阶段,煤柱作为主要承载结构维持采场的稳定。Emad 等[10]分析了不同充填模式对采场变形的控制效果。Al Heib 等[11]分析了充填体对石膏矿柱的稳定性影响,验证了充填开采降低地表沉陷的效果。Kostecki 等[12]分析了充填体强度对煤柱变形的影响,王方田等[13]进一步研究了充填体与煤柱协同作用下对顶板变形的控制效果。宋卫东等[14-15]分析了不同岩石形态及充填体的应力-应变特征,研究了侧限压缩条件下充填体与岩柱的相互作用。国内专家基于不同的煤岩组合结构,构建了煤岩组合体的损伤模型[16],并研究了不同倾角下煤岩组合体的剪切作用,分析了组合体强度及破坏特征[17-19]。针对充填体对复合结构强度的影响,唐岳松等[20]以煤矸石为骨料,研究了粉煤灰对其强度的影响规律,得到了充填体的强度演化规律。陈磊等[21]则基于充填体强度演化规律,将采场分为强度增长区和强度恒定区,建立联合支撑体系,得到采场变形分布规律。为提高充填效率,路彬等[22-23]提出了连采连充式胶结充填采煤技术,实现了“间隔支巷出煤、分步充填置换”的目标。在该模式下,煤柱暴露时间短,顶板承载结构转换快,进一步减少了地表沉陷。而在该条件下煤柱的变形特性、应力分布规律等问题尚不明确,对该开采模式下的采场控制效果仍需进一步研究。

本文基于昊源煤矿连采连充式胶结充填采煤工作面煤柱变形特性,通过研究不同开采模式下顶板承载结构的转换规律,分析煤柱侧向变形及应力释放规律,提出煤柱单侧临空状态下的极限平衡宽度。通过数值模拟分析充填体宽度对煤柱承载特性的影响,并提出控制煤柱稳定的措施。

1 工程概况

1.1 工程背景

内蒙古昊源煤矿位于乌海市海南区,采用连采连充式胶结充填采煤技术开采16 号煤层。该煤层顶板以砂质泥岩和泥岩互层为主,底板主要为砂质泥岩,平均煤厚为5 m。连采连充工作面由运输巷、回风巷和开切眼组成,在运输巷与回风巷之间沿走向间隔5 m 划分为若干支巷。该工作面采用两步式回采:一阶段回采奇数支巷;二阶段回采偶数支巷。连采连充式充填工序如图1 所示。

图1 连采连充式充填工序Fig.1 Filling process of continuous mining and filling

为满足料浆流动性以及充填体强度的要求,该工作面所用充填料浆浓度为81% ,水泥、粉煤灰、矸石的配比为11 ∶19 ∶51,充填体强度约为5 MPa。该工作面采用2 套独立输送系统输送材料,即矸石输送系统和料浆输送系统。矸石输送系统通过地表输送带将矸石运送至溜矸孔,通过溜矸孔输送至井下。料浆输送系统通过料仓将水泥和粉煤灰在充填站内进行拌和,拌和至预定浓度后通过管道输送至井下。料浆与矸石在支巷巷口混合,利用煤层倾角进行自流充填。

1.2 采场煤柱变形

煤层开采后,由于未及时充填和充填不接顶,导致煤柱发生侧向变形。随工作面推进,该变形逐渐增大。煤帮的收敛变形及支护变形如图2 所示。奇数支巷充填时,充填体在未接顶的情况下,两侧煤帮出现显著的径向变形,如图2(a)(b)所示。煤柱临空侧应力解除后,由三向受力状态转换为两向受力状态,在煤柱中间产生显著变形。在挤压作用下,煤柱两端产生相对滑移,导致锚网变形,如图2(c)(d)所示。采场煤柱变形与所处应力环境以及回采模式等相关,因此需进一步研究煤柱变形特点。

图2 煤帮两侧收敛及支护变形Fig.2 Convergence and support deformation on both sides of coal bank

2 充填采场顶板承载结构分析

为研究连采连充式胶结充填采煤过程中煤柱的受力变化及变形特征,基于昊源煤矿充填工作面建立数值模型,分析不同工况下煤柱应力分布特点及侧向变形特征。昊源煤矿地质力学参数见表1。

表1 地质力学参数Tab.1 Geomechanical parameters

基于昊源煤矿充填工作面巷道布置,特点建立长240 m、高115 m 的模型,模型两侧预留50 m 边界,采场长度为140 m,将采场间隔5 m 划分为若干支巷。各岩层采用摩尔库伦本构模型,固定两侧及底部边界,模型计算收敛后,采用Fish 语言编写相关程序,提取围岩及煤柱应力与位移数据进行分析。

为得到不同回采模式下煤柱的应力分布及变形特性,分别建立两步式回采、三步式回采和四步式回采3 种模型。模型分别间隔1 条支巷、2 条支巷、3 条支巷逐步回采,完成工作面充填。据此,分析不同煤柱宽度条件下顶板承载结构的特点。

2.1 围岩应力分布特征

工作面回采过程中,围岩应力释放受煤柱的阻隔作用在采场内形成多段非连续的平衡拱。采场围岩应力分布及应力释放规律如图3 所示。不同回采模式下的应力分布规律如下:

(1) 在两步式回采中,随工作面推进,充填体上方的平衡拱逐步扩大。煤柱与充填体间隔分布,限制了两侧平衡拱的扩展。而煤柱与充填体等宽,使相邻平衡拱的拱脚间距较小,如图3(a)所示。

(2) 在三步式回采中,煤柱宽度增大,平衡拱范围略小,如图3(b)所示。阶段二回采导致平衡拱扩大,且围岩应力在阶段一充填体上方产生显著释放,煤柱的承载作用降低,如图3(c)所示。

(3) 在四步式回采中,阶段一回采时,煤柱宽度增加,使其阻隔应力传递作用增大,平衡拱间距增大,如图3(d)所示。阶段二回采使平衡拱进一步扩展,如图3(e)所示。而在阶段三中,煤柱作用显著降低,围岩应力释放范围增大,如图3(f)所示。

图3 采场围岩应力分布及应力释放规律Fig.3 The stress distribution and stress release law of the surrounding rock of the stope

2.2 顶板承载结构特性

采场应力分布揭示了顶板承载结构的转换规律。顶板承载结构依次经历煤柱与充填体协同承担和完全由充填体承担2 个阶段。而在两者协同承担阶段,煤柱作为主要承载结构能有效控制顶板变形。以应力平衡拱解释顶板承载结构的转换,其扩展规律如图4 所示。各种回采模式下的顶板承载特性如下:

(1) 两步式回采中,平衡拱拱脚在阶段一回采时位于煤柱上方,煤柱作为主要承载结构,控制顶板变形。阶段二回采时,随煤柱的采出,应力平衡拱扩展,当拱顶扩展至关键层后,产生移动拱,如图4(a)所示。

(2) 三步式回采中,前两阶段平衡拱逐步扩展,煤柱仍为主要承载结构。而在阶段三回采中,煤柱两侧平衡拱迅速扩展,直至形成移动拱,如图4(b)所示。

(3) 四步式回采中,前三阶段与上述2 种模式一致,而在阶段四中,平衡拱迅速扩展,形成移动拱,如图4(c)所示。

图4 采场围岩应力平衡拱扩展规律Fig.4 Expansion law of stress balance arch of the surrounding rock of stope

压力平衡拱的扩展规律揭示了煤柱在充填过程中的作用。煤柱作为主要承载结构,阻隔两侧平衡拱扩展,并与充填体协同承担上部荷载。同时,煤柱易产生较大的变形(图2)。

2.3 煤柱水平变形规律

上述分析表明,在煤柱-充填体协同承载阶段,煤柱为主要承载结构,易因过度变形而失稳破坏。各阶段煤柱水平变形如图5 所示。根据煤柱侧限条件的差异,将煤柱形态分为3 种,即两侧分别为煤柱与临空面(形态一)、充填体和临空面(形态二)、充填体和充填体(形态三)。现结合图5 着重分析煤柱临空侧水平变形的分布特点。

(1) 在两步式回采中,煤柱处于形态一时,受单侧扰动,其变形较小。随开采推进,煤柱进入形态三,围岩受开采扰动加剧,煤柱侧向变形增大,如图5(a)所示。

(2) 在三步式回采中,煤柱处于形态一时,煤柱宽度为2 条支巷宽度,其承载能力较强,使其临空侧变形较小。而随开采推进,附加荷载增大,使其侧向变形加剧,如图5(b)所示。煤柱处于形态二时,宽度减小,平衡拱增大,煤柱水平变形加剧,如图5(c)所示。

(3) 在四步式回采中,煤柱宽度由3 条支巷逐步减少为单条支巷,故其变形规律与三步式回采一致,如图5(d)(e)(f)所示。

图5 各阶段煤柱水平变形特性Fig.5 Horizontal deformation characteristics of coal pillars at various stages

经分析,煤柱宽度减小使得应力平衡拱扩展,煤柱所受荷载增加,使其临空侧变形增加。相邻支巷回采后,煤柱临空侧因失去侧限约束而产生碎胀变形。当其两侧均为充填体时,因充填体强度较小,煤柱仍发生部分水平变形。相较而言,煤柱临空侧易产生较大变形。

2.4 煤柱水平应力分布规律

煤柱水平应力在3 种形态下的分布形式各不相同,在临空侧得到显著释放,在充填体侧仍保持较高应力,而在煤柱侧保持原岩应力。将12 号支巷作为研究对象,3 种形态的煤柱两侧应力分布如图6 所示。

(1) 当煤柱处于形态一时,临空侧无约束,在顶底板的挤压作用下,煤柱应力呈中间小、两端大分布,如图6(a)所示。

(2) 当煤柱处于形态二时,临空侧应力分布与形态一相同,如图6(b)所示。而充填侧受充填体约束,其应力释放较小。采用两步式回采时,采场扰动大,使压力平衡拱范围增大,增加了煤柱所支撑的荷载,导致其水平应力释放增大,如图6(c)所示。

(3) 当煤柱处于形态三时,其左侧应力分布规律在不同回采模式中基本一致,如图6(d)所示。煤柱在两步式回采时为主要承载结构,而在三步式回采和四步式回采中,充填体逐步成为主要承载结构,充填体的侧向变形减弱了煤柱的应力释放,如图6(e)所示。

图6 煤柱两侧应力分布Fig.6 Stress distribution on both sides of coal pillar

3 煤柱极限平衡区分析

3.1 煤柱极限平衡区宽度分布

支巷回采导致煤柱的应力状态发生改变,当煤柱两侧为充填体时,在充填体作用下避免了上覆岩层过度的变形。而当煤柱一侧为空顶区时,临空侧易发生水平变形,致使煤帮失稳,造成上覆岩层发生显著下沉。因此,本文着重研究煤柱处于临空状态时的极限平衡区宽度。现基于文献[24]建立煤柱承载结构的力学模型(图7)。

图7 煤柱承载结构力学模型Fig.7 Mechanical model of coal pillar bearing structure

根据文献[25],弹塑性交界面处应符合应力平衡方程:

当煤柱上下两侧满足极限平衡条件后,产生相对滑移,故根据极限平衡条件得到交界面处的剪应力分布为

式中,φ为煤柱的内摩擦角,(°);c为煤柱的黏聚力,MPa。

根据极限平衡区内的应力分布,可提出下述边界条件:

当x=0 时

当x=le时

将式(1)代入式(2),并基于边界条件式(3)、式(4)可得到极限平衡区内煤的应力分布:

进而得到煤柱的应力平衡区宽度:

当煤柱变形超过其塑性极限后,煤柱临空侧产生片帮等现象。破碎区与塑性区交界面处的煤柱应力应满足如下条件:

将式(7)代入式(5)中,可得到破碎区宽度:

破碎区影响煤柱稳定,应在煤柱进入破碎区之前及时充填,恢复煤柱的三向受力状态,保持煤柱稳定。

3.2 应力集中系数对极限平衡宽度的影响

图8 给出了极限平衡宽度在应力集中系数影响下的扩展规律。根据塑性区与破碎区的分布关系,塑性区宽度可表示为

图8 应力集中系数对极限平衡区扩展影响Fig.8 Influence of stress concentration factor on the expansion of limit equilibrium zone

结果显示,应力集中系数通过影响塑性区分布,使极限平衡区宽度随应力集中系数增大而显著增加。当应力集中系数大于5.5 时,极限平衡区宽度大于2.5 m。在该条件下,若煤柱宽度为5 m,当其两侧均为临空侧时,煤柱整体均处于极限平衡区内,不利于煤柱的稳定。因此,需根据围岩条件确定合理的煤柱尺寸,保障煤柱稳定。

3.3 临时支护强度对极限平衡区的影响

临时支护通过对煤柱临空侧施加约束,近似地将煤柱的两向受力状态还原为三向受力状态,提高了煤柱的稳定性,达到控制煤柱极限平衡区扩展的作用。结果显示,临时支护强度提高,煤柱极限平衡区宽度随之下降,其破碎区与塑性区同步减小。当临时支护强度超过6 MPa 时,煤柱不再产生破碎区,同时煤柱塑性区也随之减小;当临时支护强度达到14 MPa 后,煤柱不再产生极限平衡区,其处于弹性变形状态。临时支护强度对极限平衡区宽度的影响如图9 所示。

图9 临时支护强度对极限平衡宽度的影响Fig.9 Influence of Temporary Support Strength on Ultimate Equilibrium Width

3.4 煤层埋深对极限平衡宽度的影响

埋深对煤柱极限平衡区宽度的影响如图10 所示。煤层埋深增加,煤柱上部荷载随之增加,进而使煤柱极限平衡区宽度增大,塑性区和破碎区同步增加。由式(4)与式(6)的计算结果可知,塑性区与破碎区随埋深变化的增量基本一致。

图10 埋深对极限平衡宽度的影响Fig.10 The effect of buried depth on the limit equilibrium width

综上所述,应力集中系数反映上覆围岩条件对极限平衡区的影响,围岩条件越差,煤柱极限平衡区宽度越大;埋深反映上覆岩层荷载对极限平衡区的影响,埋深越大,荷载越大,煤柱极限平衡区宽度随之增加;临时支护是控制极限平衡区宽度扩展的重要措施,提高临时支护强度,可减小煤柱的极限平衡区宽度,从而能够维持煤柱稳定。

4 煤柱与充填体不同组合状态下的稳定特性

充填体将煤柱由两向受力状态转换为三向受力状态,其对煤柱侧向约束作用显著提高了煤柱的稳定性。为进一步分析充填体对煤柱稳定性的影响,研究不同充填体与煤柱组合作用下煤柱的变形及应力分布规律,建立不同充填体宽度的模型(图11)。模型中间为煤柱,两侧为充填体,充填体与煤柱的宽度比为n∶1。本文取n为1 ～5。

图11 煤柱与充填体组合结构的数值分析模型Fig.11 Numerical analysis model of combined structure of coal pillar and backfill

4.1 煤柱位移分布特性

在荷载总量不变的条件下,煤柱两侧充填体的宽度增加,降低了煤柱在模型中分担的荷载占比。而充填体所承担的荷载逐步增加,其对煤柱的侧向约束作用随之增强,降低了煤柱的水平变形。结果显示,n=1 时,煤柱作为主要承载结构,其两侧变形较大。而当n=5 时,充填体所承受的荷载显著增加,充填体逐步成为主要承载结构,煤柱的水平变形显著降低。充填体宽度对煤柱变形的影响如图12所示。

图12 充填体宽度对煤柱变形的影响Fig.12 The influence of filling body width on coal pillar deformation distribution

4.2 煤柱应力分布特性

与煤柱侧向变形一致,其水平应力随充填体宽度的增加而减小。当n=1 时,煤柱作为主要承载结构,其应力较高,且充填体的侧向约束作用较弱,使得煤柱两侧应力释放较为明显。而当n=5 时,煤柱所受荷载降低,同时充填体对其侧向约束作用显著提高,故煤柱两侧应力释放较小。充填体宽度对煤柱应力分布的影响如图13 所示。

图13 充填体宽度对煤柱应力分布的影响Fig.13 The influence of filling body width on coal pillar stress distribution

充填体宽度对煤柱的应力释放作用,一方面体现在减小了煤柱上方荷载,使其应力较小,则侧向变形较小,应力释放减弱;另一方面,充填体承受荷载增加,其对煤柱侧向约束作用增加,进一步减小煤柱侧向变形,从而维持煤柱的稳定。

5 工程应用

为避免支巷煤柱失稳破坏,昊源煤矿1602 工作面采用连采连充工艺,采煤与充填同步进行,缩短煤柱临空时间,减小煤柱临空侧变形。当奇数巷首巷充填体达到7 d 强度后回采偶数巷,减小煤柱承载时间。并通过增大充填率提高充填体的承载能力,减小煤柱应力。通过上述措施,1602 工作面煤柱在临近支巷开采但未充填时未出现较大变形。而煤柱临近支巷充填后,煤柱两侧没有临空面,故无法对煤帮进行观测,但根据开采偶数巷煤柱时显示,所采煤柱较为完整。上述措施有效地解决了煤帮变形失稳等问题,二阶段回采时煤柱稳定状态如图14 所示。