浅埋综采工作面区段煤柱宽度优化

2022-06-14任建喜林海易归张琨

科学技术与工程 2022年14期

任建喜，林海，易归，张琨

(西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054)

随着国家煤炭开采的需要，近年来浅埋煤层开采强度不断增大，由于煤矿安全高效开采的需要，合理保护煤柱宽度的留设问题亟待解决，还要达到煤炭资源的合理节约和充分应用[1-4]。煤柱宽度留设过宽，会造成煤炭资源的浪费，煤柱宽度留设过窄，虽然能节约资源，但煤柱支承应力过大，会产生应力集中现象，不利于顺槽安全使用[5-6]。因此，专家在缩短护巷煤柱宽度方面做了大量研究。目前护巷煤柱合理宽度的研究主要是采用理论计算、现场监测或数值模拟分析等方法[7]。祁方坤等[8]采用护巷煤柱体的极限平衡理论，得出了护巷窄煤柱合理宽度的上限值和下限值的表达式。余学义等[9]和田臣[10]通过现场监测和数值模拟的方法研究了巷间煤柱受双巷掘进及两次采动过程中的破坏规律以及不同煤柱宽度的应力变化规律、弹塑性区域范围和巷道围岩变形规律。康继忠等[11]通过室内试验和数值分析，建立了工作面回采过程中不同宽度区段煤柱的力学模型，对比分析了不同煤柱宽度时围岩应力、变形及塑性区分布规律的差异。谷栓成等[12]通过理论推导和数值模拟的方法，建立临界状态下煤柱弹塑性方程，给出了煤柱塑性区计算式。张志沛等[13]通过数值模拟研究某煤矿缓倾斜厚煤层浅部区段煤柱，得出了缓倾斜厚煤层的合理煤柱宽度。

目前国内许多专家学者已经在煤柱宽度研究方面取得了丰硕成果，但研究还存在以下问题：首先，大多都热衷于对厚煤层或深埋区域的煤柱研究,对浅埋近水平中厚煤层煤柱缺乏系统性的研究成果；其次，综合考虑不同煤柱宽度下回采后煤柱弹性区宽度、煤柱支承压力变化以及顺槽围岩变形共同作用的研究成果有待完善；最后，由于煤矿开采工程地质条件多变，煤层地质赋存复杂，没有统一的普适规律，需要结合回采过程中的顺槽围岩构造及煤柱变形破坏特性，采用多种方法进行综合分析。因此，现基于龙华煤矿30203工作面地质条件和开采条件，采用理论分析，现场实测和数值模拟等方法，开展浅埋煤层综采工作面顺槽煤柱优化研究工作，以期达到提高回采率的目的，实现绿色高效开采的目标，为类似条件的工作面的煤柱宽度留设提供参考。

1 工程概况

龙华煤矿30203工作面埋深不超过150 m，属于浅埋煤层[14]。该工作面所采煤层属于延安组第三段3-1煤层，该工作面煤层厚度为2.7～3.02 m，平均厚度为2.88 m，属中厚煤层,倾角1°～3°，平均1°，属近水平煤层，抗压强度为16.92 MPa，抗拉强度为1.32 MPa。3-1煤顶板为中细粒砂岩，泥质胶结，抗压强度为29.9～56.9 MPa。3-1煤层直接底板为薄层泥岩或粉砂岩，间接底板为细粒砂岩。该工作面走向长2 728 m，倾向长295 m，工作面埋深为80～135 m。

2 工作面区段煤柱松动圈规律实测及塑性区研究

2.1 监测区段设置

30203综采工作面在开始回采时，在30203综采工作面分别设置6个监测区段，即在辅运顺槽侧煤柱设置一个监测区段，在主运顺槽侧煤柱设置4个监测区段，在横川处设置一个监测区段，并进行编号，如图1所示。

图1 30203工作面顺槽监测区段分布图Fig.1 Distribution diagram of 30203 working face grooving monitoring section

2.2 监测试验方案

监测区段一(距离30203工作面切眼420 m处)：布置1组煤柱钻孔应力计，监测主运顺槽煤柱支承应力；布置1个顶板数字成像孔，监测主运顺槽围岩破碎情况；监测区段二(距离30203工作面切眼100 m处)：布置1组煤柱钻孔应力计，监测辅运顺槽煤柱支承应力；布置1个顶板数字成像孔，监测辅运顺槽围岩破碎情况；监测区段三(距离30203工作面切眼330 m处)：布置1组帮部数字成像孔，监测主运顺槽围岩破碎情况；监测区段四、区段五与监测区段三布置一致，间距为30 m。监测区段六(距离30203工作面切眼400 m处)：布置1组顶板数字成像孔，监测联络巷围岩破碎情况。以监测区段一为例，仪器布置图如图2所示。

图2 监测区段仪器布置图Fig.2 Instrument layout of the monitoring section

2.3 30203工作面区段煤柱围岩松动区范围

采用武汉长盛公司研发的数字钻孔成像仪对煤柱两侧的不同阶段进行数字钻孔成像，分析煤柱钻孔内围岩裂隙发育，破碎情况，得出30203工作面区段煤柱松动区范围，如表1所示。

表1 30203工作面区段煤柱松动区范围Table 1 Range of coal pillar loose zone in 30203 working face section

2.4 不同深度煤柱支承压力变化规律及塑性区分析

30203主运顺槽煤柱支承压力监测断面布置在30203工作面主运顺槽距切眼420 m位置处，即监测断面一；30203辅运顺槽煤柱支承压力监测断面布置在30203工作面辅运顺槽距切眼100 m位置处，即监测断面二。孔深1～5 m范围内，相邻孔深相差1 m，间距1 m，5～10 m范围内，间距1 m，对所得监测数据进行分析，如图3所示。

图3 顺槽区段煤柱支承压力监测变化曲线Fig.3 Monitoring curve of abutment pressure of coal pillar in caving section

由图3(a)所示，30203主运煤柱测点3、4 m同时在距工作面25 m左右出现突然增大，压力增速逐渐加快,说明测点处煤体进入塑性区。因此，判定30203主运煤柱塑性区为4 m左右。由图3(b)可知，30203辅运煤柱测点1、2、3、10 m同时在距工作面20 m左右出现突然增大，压力增速逐渐加快，说明测点处煤体进入塑性区。当测点距离工作面-55～-45 m时，各测点支承压力达到了峰值。因此，判定30203辅运煤柱塑性区为3 m左右。

综上分析，30203区段煤柱两侧呈现非对称变形破坏，由于主运一侧煤柱靠近采空区，煤柱支承压力更大，因此，主运煤柱塑性区比辅运煤柱塑性区宽1 m。

3 煤柱合理宽度留设理论分析

3.1 基于弹性核理论煤柱合理宽度留设分析

弹性核理论将综采工作面区段煤柱划分为弹性核区和两侧的松动区、塑性区[15]。根据围岩应力及围岩变形受力特性，煤柱支承压力分布区域中的降低区、升高区和原岩应力区分别对应于煤柱的松动区、塑性区和弹性核。具体如图4所示。

Ⅰ为应力降低区；Ⅱ为应力升高区；Ⅲ为原岩应力区；σy为煤柱的支承压力；x为弹性核范围；γ为上覆岩层平均容重;H为开采深度图4 顺槽煤柱支承压力分布特征Fig.4 Abutment pressure distribution characteristics of coal pillar along the chute

当煤柱两侧发生塑性破坏变形后，中间有一段原岩应力区，处于弹性状态，其宽度应大于煤层采高的两倍，这样才能确保煤柱处于安全稳定的状态。

根据煤层开采高度，煤柱塑性区范围以及煤柱松动区范围可以计算出煤柱留设的理论宽度。具体计算公式为

x1≥2h+x2+x3

(1)

式(1)中：x1为煤柱留设宽度，m；h为顺槽采高，m；x2为煤柱塑性区宽度，m；x3为煤柱松动区宽度，m。

3.2 煤柱塑性区模型的建立与求解

图5 塑性区力学模型Fig.5 Mechanical model of plastic zone

采用弹性核理论和抛物线强度理论，取煤柱里的一个微元为研究对象，列出平衡微分方程和极限平衡方程。

τ2=A(σ+B)

(2)

(3)

B=σt

(4)

式中：τ为切向应力；σc为3-1煤的抗压强度；σt为3-1煤的抗拉强度。

建立平衡微分方程求解：

(5)

将式(2)代入式(5)可得

(6)

为了简化计算，设：

τxz=f(x)g(x)

(7)

式(7)中：f(x)g(x)为微分方程的函数解。

将式(7)代入式(6)可得

(8)

(9)

式中：C1为常数。

由于煤柱高度与埋深相比很小，可认为煤柱竖向和水平应力在该高度范围内不变，则f(z)为常数。

由力学模型中边界条件可得

(10)

当x=Lp时，σx=σxl

(11)

式(11)中：Lp为煤柱塑性区的宽度。

将式(10)和式(11)代入式(9)，并考虑工作面的采动影响，得到煤柱塑性区的宽度为

(12)

式(12)中：d为采动影响因子，取1.5～3.0；M为所采煤层厚度。

3.3 煤柱宽度的求解

根据室内实验以及矿上给的地质资料，模型物理力学参数如表2所示。

表2 模型物理力学参数表Table 2 Physical and mechanical parameters of the model

将各个参数代入式(12)，求得煤柱塑性区宽度Lp为3.2 m。

由现场实测可知，优化前采空区侧松动区范围为0.6～0.8 m，优化前辅运顺槽侧松动区为0.4 m。由式(1)可知，煤柱优化后的宽度至少为13.4 m，即理论上煤柱可优化的宽度至多为6.6 m。

4 煤柱宽度优化FLAC3D模拟

4.1 模型的建立

采用FLAC3D数值软件，给定20.0、17.0、15.0、12.0 m的4种煤柱宽度，模拟过程中本构模型选取FLAC3D软件中内置的摩尔-库仑模型。模型建立过程中，严格按照地层资料、巷道尺寸及工作面尺寸，3-1煤煤层平均埋深为112 m，采空区宽度为300 m。模型尺寸为500 m×10 m×150 m(长×宽×高)，顺槽断面为宽×高=6.0 m×3.0 m，共有104 640个单元格，127 458个节点。具体模型如图6所示。

4.2 边界条件及岩层物理力学参数的确定

模型上边界按上部覆岩自重确定；左右边界分别设置零位移的边界条件，故在模型左右两侧均加入水平约束；下部边界为全约束边界。模型尺寸为500 m×10 m×150 m(长×宽×高)，顺槽断面为宽×高=6.0 m×3.0 m，共有209 280个单元，254 916个节点。根据室内实验及地质资料，模型岩层层位(从上到下)及物理力学参数如表3所示。

图6 模拟计算模型Fig.6 Computational model

表3 岩层物理力学参数表Table 3 Physical and mechanical parameters of rock strata

4.3 计算结果分析

4.3.1 煤柱弹性区计算结果

实体煤巷道开挖后，根据实际工作面推进模拟计算，分别显示出不同宽度煤柱在回采过后的塑性区域范围，如图7所示。图7(a)～图7(c)中，蓝色、红色区域代表塑性区，绿色区域代表弹性区。图7(d)中蓝色、绿色代表塑性区，红色区域代表弹性区。

图7 回采后不同煤柱宽度下的塑性区范围Fig.7 Range of plastic zone under different coal pillar widths after stoping

由图7可知，在20、17、15 m煤柱条件下，采空区侧塑性区宽度分别为3、3、3 m，辅运顺槽侧塑性区宽度分别为4、3、3 m，煤柱的弹性区宽度分别为13、11、9 m，均大于2倍的采高(2×3=6 m)；在煤柱宽度为12 m时，采空区侧煤柱塑性区宽度为2 m，辅顺侧煤柱塑性区宽度为4 m，煤柱的弹性区宽度为6 m，不大于2倍的采高(2×3 m=6 m)，不能保证区段煤柱的安全稳定。

4.3.2 煤柱支承压力分布规律

模拟计算中在煤柱宽度范围内，从左至右每隔1 m布置1个监测点，监测煤柱竖向应力，具体如图8所示。

图8 不同煤柱宽度下支承压力分布曲线Fig.8 Abutment pressure distribution curve under different coal pillar widths

由图8可知，煤柱支承压力呈现马鞍形分布规律，随着煤柱宽度从20 m减小到12 m，煤柱支承压力的峰值也由14.14 MPa增长到15.68 MPa，峰值点处表明采空区侧煤体开始进入塑性状态。弹性区范围内煤柱支承压力随着距采空区侧煤柱壁的水平距离的减小呈线性增加的趋势，在20、17、15 m煤柱宽度下，其弹性区宽度分别为13、10、9 m，均大于两倍的采高，而在12 m宽度下，弹性区的宽度为5 m，小于两倍的采高，不能保证区段煤柱的安全稳定。

4.3.3 顺槽围岩变形结果

为了得到回采过程中顺槽顶板下沉量和两帮收敛变形量，计算过程中在辅运顺槽布置监测点，得到了辅运顺槽围岩变形值，具体如表4所示。