中厚煤层区段煤柱合理留设宽度分析

刘宝玉,李国平,刘德鑫,李 培

(1.彬县煤炭有限责任公司,陕西 咸阳 712000;2.陕西华彬雅店煤业有限公司,陕西 咸阳 713500)

0 引言

关于区段煤柱尺寸留设理论,各国的学者进行了很多的研究,但对煤柱宽度的合理程度至今没有统定论[1-3]。回采巷道的护巷煤柱用于隔离采空区和维护巷道,其形状一般设计为矩形或正方形。煤柱有能够支撑顶板的作用,所以煤柱受到破坏后,对顶板岩层控制有比较大的影响。研究表明,煤柱的合理尺寸会影响回采巷道受动压破坏的严重程度,是对回采巷道稳定性有影响的主要因素[4-8]。

彬长矿区某矿井一采区1号煤层属于中厚煤层,工作面巷道为三巷布置,相邻工作面回采巷道之间留设20 m煤柱,在工作面回采过程中,因煤柱留设不合理导致巷道底板底鼓、顶板下沉、两帮挤压变形严重,影响了矿井的安全高效生产。基于此,探究中厚煤层工作面开采区段煤柱合理留设宽度,对保证矿井的安全高效生产和提高资源回收率具有重要意义。

1 工作面概况

矿井1号煤层综采工作面位于一采区东翼,埋深约700 m,其上部为沟谷切割的塬梁地貌,工作面设计走向长度3 130 m,倾向220 m,煤层平均厚度3 m,工作面倾角1°～7°,地质构造简单。工作面区段保护煤柱留设20 m,工作面的北侧是实体煤,南侧是采空区,西侧是3条下山,东侧是采区边界,工作面巷道断面均是矩形,运输顺槽5.5 m×3 m(宽×高),回风顺槽和泄水巷4.2 m×2.8 m(宽×高)。工作面采用走向长壁综合机械化开采,全部垮落法管理顶板。综采工作面巷道布置如图1所示。

图1 工作面巷道布置示意

工作面回风顺槽受一次采动影响,巷道顶板破碎下沉、底板底鼓,顶底板移近量平均达到1 m。两帮变形严重、移近量平均达到0.6 m,且肩窝处受挤压形成了网兜,部分段煤柱发生整体性破坏和偏移。

2 煤柱合理宽度理论计算

2.1 煤柱合理宽度确定原则

基于采空区侧向支承压力的分布规律,巷道处于应力降低区,有利于巷道及煤柱的稳定性。随上区段工作面的回采及巷道掘进影响,巷道两侧均存在破碎区,但如果煤柱均为破碎状态,则煤柱的稳定性及承载能力降低,无法进行锚杆支护,巷道维护相当困难。因此,煤柱内应存在稳定区域。当煤柱宽度较大时,随着煤柱宽度的增加,巷道围岩变形量减小,直至趋于稳定之后,若再增加煤柱宽度,则煤柱宽度过大,会影响煤炭资源的回收率。基于巷道围岩的稳定性,应采用宽度较小的煤柱,以提高煤炭采出率。

2.2 煤柱宽度计算分析

留设煤柱是煤矿中一直沿用的护巷方法,旧有的留设煤柱护巷方式是在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度煤柱,可以使下区段平巷避开固定支承压力峰值区。煤柱(体)的承载能力,随远离煤体(煤柱)边缘而明显增长,在距煤体(煤柱)边缘一定宽度内,存在着煤柱(体)的承载能力与支承压力处于极限平衡状态,如图2所示。

1-弹性应力分布;2-弹塑性应力分布;Ⅰ-破裂区;Ⅱ-塑性区;Ⅲ-弹性区应力升高部分;Ⅳ-原始应力区

运用岩体的极限平衡理论,塑性区的宽度即支承压力峰值与煤壁的距离x1可由式(1)确定

(1)

式中,x1为上工作面开采后在侧向煤体产生的塑性区宽度,m;C为煤体黏聚力,取0.8 MPa;φ为煤体内摩擦角,取21°,P为煤柱帮支护阻力,取0.15 MPa;K为应力集中系数,取1.4;γ是覆岩平均容重,取25 kN/m3;H为工作面埋藏深度,700 m;m为煤层厚度,3 m;f为煤层与顶底板接触面摩擦因数,取0.3;ξ为应力系数,ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)。代入式中计算得x1=4.1 m,即塑性区宽度。

上部工作面开采后引起周围煤体应力集中,随着煤体边缘发生塑性变形和破坏,集中应力向深部转移,且在距离采空区边缘一定距离处应力值达到最大,考虑到峰值应力对巷道和煤柱稳定性产生了很大影响,为了确保煤柱以及巷道的稳定,将巷道布置在应力降低区的范围,避开峰值应力作用范围。同时,煤柱需要隔离采空区,煤柱宽度不能过小。为了保证煤柱和巷道的稳定,区段煤柱的宽度必须满足煤柱两侧产生塑性变形区后,煤柱中部仍存在一定区域具有承载能力,即煤柱宽度符合式(2)式中,x1为上工作面开采后在侧向煤体中产生的塑性区宽度;x2为煤层厚度的煤柱安全系数,取(x1+x3)的30%～60%;x3为锚杆的有效长度。根据护巷煤柱极限平衡理论和巷道应力极限平衡区宽度知护巷煤柱的宽度须满足B≥x,x煤柱宽度按图3计算。

图3 煤柱宽度计算示意

B=x1+x2+x3

(2)

由上述计算可得,矿井工作面上区段工作面采空区应力极限平衡区宽度取4.1 m,锚杆有效长度按2 m计,计算得出x2=1.83～3.66 m。将其带入式(2)中算出1号煤层工作面的x为7.9～9.8 m,即煤柱留设宽度为7.9～9.8 m。

3 煤柱宽度数值模拟研究

3.1 模拟方案

为研究区段煤柱留设的合理宽度,根据计算的煤柱理论尺寸建立煤柱宽度为8 m、10 m、15 m的FLAC3D数值模型,分析不同煤柱宽度下煤柱的应力、位移特征[9-12]。通过在煤柱内布置测点的方式对垂直应力进行监测,研究煤柱载荷分布和支撑能力,找出侧向应力对煤柱稳定性造成的影响。在煤柱两帮位置布置测点对两帮水平位移量进行监测,定量分析煤柱变形破坏特征。

3.2 模拟分析

开挖次序为初始地应力计算→上区段运输巷开挖→上区段工作面回采→下区段回风巷开挖→下区段工作面回采。根据有限元数值模拟软件FLAC3D开挖运算平衡后,提取采场最大主应力Sig1如图4所示,可以看出随着煤柱宽度的增加,煤柱内部最大主应力逐渐稳定。应力峰值位置与煤柱弹性核区域逐渐远离。

图4 不同煤柱最大主应力状态比较

不同煤柱宽度下最大主应力云图呈现“X”型共轭分布,煤柱高度中线位置约为峰值应力点,随着煤柱尺寸由8 m增大到10 m、15 m,峰值应力大小由26 MPa降至25.21 MPa,当留设煤柱宽度达到15 m的时候,峰值应力是23.75 MPa。峰值应力位置约为巷道煤帮内2.75 m左右,由于巷道围岩自由面处存在卸压状态,向煤柱深处2.75 m位置,煤柱内部最大主应力逐渐升高至最大,再向煤柱内深部发展,最大主应力Sig1值逐渐减小,说明煤柱宽度越小,煤柱内部应力集中程度越高,最大峰值应力处的煤柱完整性相对越差,变形量越大破坏也越严重,最终煤柱弹塑性状态还需结合水平应力、位移量等因素综合分析。

图5为不同煤柱铅直应力的状态比较。可以看出,随着煤柱宽度由8 m逐渐增大到10 m、15 m,应力集中区域面积显著减小,且铅直应力σzz峰值由8 m宽度煤柱时的21.8 MPa减小至10 m宽度时的20.44 MPa,当煤柱尺寸增大至15 m时,铅直应力峰值是18.97 MPa,可以看出随着煤柱宽度的增加,铅直应力σzz峰值和集中范围均呈现减小趋势,当留设8 m宽煤柱时应力集中系数k约为1.45,留设10 m煤柱时k约为1.373,留设15 m煤柱时k约为1.265,且煤柱留设尺寸的变化对于半煤岩泄水巷围岩应力状态的影响较小。

图5 不同煤柱铅直应力状态比较

比较煤层采场开挖后,水平应力σxx主要集中在煤柱和巷道顶板岩层层位,并且延伸到端头位置顶底板处,如图6所示。

图6 不同煤柱水平应力σxx状态比较

与最大主应力Sig1和铅直应力σzz演化规律不同的是,随着煤柱宽度逐渐加大,煤柱内部水平应力集中范围也随之增加,可以看出弹性核内部xx方向水平应力值增大,与顶底板峰值应力等值线贯通,这说明随着煤柱宽度逐渐加大,煤柱中心弹性核心宽度也是随之增加的,煤柱宽度达到10 m时,中心区域处于弹性应力状态,煤体基本未发生塑性变形,当煤柱宽度超过10 m达到15 m时,弹性区域应力值增大到约21.5 MPa,说明当煤柱尺寸留设过窄时可能不利于煤柱发挥对顶底板的支承承载作用,而当煤柱留设过宽达到15 m时,煤柱内部水平应力较大,不利于避免采动影响下煤柱型冲击能量事件的发生。

随着煤层采场煤柱尺寸的逐渐增大,如图7所示,沿工作面推进方向的水平应力σyy云图变化并不明显,尤其是当煤柱宽度由10 m增大到15 m时几乎对水平应力σyy不造成显著影响,随着工作面向前推进,水平应力σyy主要集中在煤柱和巷道的顶底板区域,峰值压力约为20.45 MPa。围压条件下的煤岩体的单向承载能力远高于相同煤岩体的单轴抗压强度,因此相对差值较小且峰值不超过单向承载能力的σzz、σxx以及σyy更利于煤柱中心部分保持弹性状态。

图7 不同煤柱水平应力σyy状态比较

综合分析,煤柱宽度由8 m增加到10 m、15 m使得铅直应力σzz峰值应力值和应力集中范围一定程度上增大,煤柱弹性状态区域宽度随之增大,而对水平应力σyy影响较小。随着煤柱宽度的增加,对于采场围岩的总位移量基本不造成影响,且即使留设8 m宽度煤柱,数值模拟结果表明煤柱和巷道围岩的位移量基本小于0.05 dm,不同煤柱位移场状态如图8所示。

4 现场应用

通过理论计算和数值模拟,确定回采巷道护巷煤柱宽度为8 m。在矿井后续综采工作面开采过程中,对宽度为8 m的煤柱稳定性进行了现场观测,结果表明巷道基本稳定,未进行大的维护,围岩变形量较小约为0.3 m,能保证回采工作的安全进行,同时较以前相比,多回收煤炭资源近10万t,创造直接经济效益8 000余万元。这说明煤柱的留设是合理、可行的,同时反映出理论计算及模拟结果与实际情况较吻合。

5 结语

彬长矿区某矿1号煤层区段煤柱宽度为20 m,为进一步提高资源的利用率,采用理论分析计算、数值模拟等方法对区段煤柱的合理宽度进行优化,理论研究确定区段煤柱宽度应在7.9～9.8 m,数值模拟确定最佳煤柱宽度为8 m。现场应用8 m区段煤柱期间表明,煤柱内存在一定宽度的弹性核区,煤柱完整性和承载能力较好,巷道变化在可控范围内,维护量减少,实践表明8 m的区段煤柱安全可靠,并取得了良好的经济效益。本结果为现场生产提供了技术支持,也为彬长矿区类似条件下中厚煤层工作面开采区段煤柱宽度留设提供了依据。