韩家湾煤矿巷道围岩破坏机理及煤柱合理宽度分析

卢少帅,霍军鹏,王 钊

(陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司,陕西 榆林 719315)

0 引言

神府矿区是我国极其重要的现代化亿吨级煤炭生产基地之一。随着时间的推移,矿区内上组煤层已开采殆尽,为提高产量各矿井正逐渐开采下组煤层。矿区内工作面的回采普遍采用“121工法”,即一个工作面2条回采巷道且相邻区工作面间留设一定尺寸的区段煤柱[1-4]。区段煤柱的留设可以维护巷道稳定,隔绝有害气体进入相邻的采掘工作面,对区段煤柱宽度进行优化设计不仅会对回采巷道的稳定性产生影响,而且还会影响煤炭资源的回收率[5-8]。大尺寸的区段煤柱保证了巷道的稳定性,但也会使大量煤炭资源遭到浪费,对矿井的长期稳定发展造成影响。小尺寸的区段煤柱承载能力较小,相邻工作面回采时区段煤柱承受载荷过大,导致侧向应力叠加,会发生片帮事故,回采巷道稳定性遭到破坏,威胁矿井安全生产[9-12]。因此,在开采下煤层时合理留设工作面间的区段煤柱以及科学设计回采巷道支护参数,不仅对矿井安全、高效、高产有重要意义,而且可以有效延续矿井的服务年限。

1 工程概况

韩家湾煤矿位于大柳塔镇韩家湾村。井田东西长约4.7～5.1 km,南北宽约2.1～3.0 km,井田面积12.420 6 km2。井田内可开采煤层一共有5层。其中局部可采的煤层有2层包括1-2上、1-2煤层,2-2煤层大部分可采,全井田可采的煤层包括3-1、4-2煤层,属于典型的浅埋煤层群,矿井采用斜井多水平开拓方式。目前4-2、3-1煤层是主要开采煤层,2煤层间距平均37 m,属于近距离煤层重复开采。3-1煤层现在正在开采213107工作面,开采过程中发现与213107工作面相邻工作面间的区段煤柱宽度为15 m,回采巷道支护参数虽然能够满足矿井的安全生产,但仍存在一定富余,对此区段煤柱尺寸进一步优化,可以增加矿井煤炭资源的回采量,具有良好的经济效益。4-2煤层的首采工作面214201工作面开采巷道煤壁存在严重的片帮现象,通过研究回采巷道的开采破坏机理并提出合理的支护参数设计方案可以在有效控制巷道围岩变形的基础上提高矿井的产量。

韩家湾煤矿3-1煤层可采厚度1.5～3.4 m,平均2.95 m。埋深157.07～101.50 m,可采面积12.77 km2。3-1煤层是韩家湾煤矿主要可采煤层,局部含有一层以砂岩为主的夹矸,厚度在0.3 m左右,煤层地质结构较为简单,煤层性质稳定,基本顶由细粒砂岩组成,直接顶由粉砂岩组成,厚度为1.5 m,直接底由粉砂岩组成,夹细粒砂岩,裂隙发育小,厚度为3.5 m;4-2煤层厚度1.85～1.95 m,平均煤厚1.92 m,地层产状平缓,倾角约1.5°,地面标高+1 295～+1 498 m,地表总体东高西低,水系不发育,煤层底板标高+1 110～+1 127 m。煤层顶板包括直接顶和基本顶,以灰色粉砂岩为主的直接顶厚0.4 m左右;以中粒砂岩为主的基本顶平均厚度约32.8 m,顶部局部含有1～2层结构致密、坚硬的钙质细粒砂岩。以灰色粉砂岩为主的底板厚度约11.6 m。

2 回采巷道帮部变形破坏力学机理

开挖巷道造成应力扰动使得两帮侧实体煤应力重新分布。当帮部的实体煤结构松软时,巷道开挖后由帮壁向里依次形成煤帮破裂区、塑性区、弹性应力升高区及原岩应力区。其中,属于破裂区和塑性区范围内的实体煤处于极限平衡状态。实体煤与顶底板相比,泊松比较小,而粘聚力c0和内摩擦角φ0又较大,这将导致处在极限平衡区的煤体从顶底板岩石中挤出,使之在煤层界面上形成剪应力τxy。巷道开采煤层高度为h,应力极限平衡区的范围为x0,x=x0处高度为h的开采煤层厚度上水平应力的平均值为σx。如图1所示,开采时实体煤与顶底板之间存在滑移面,该面上存在剪应力τ(x)xy。开采煤层高度h与巷道埋深H相比要小的多,可假定应力σx在弹塑性界面上均匀分布,支承压力σy在竖直方向上沿煤层高度保持不变。

图1 回采巷道实体煤帮应力极限平衡区计算模型

用式(1)来表示应力极限平衡区与弹性区界面处水平应力和垂直应力

σy|x=x0=kγH,σx|x=x0=AkγH

(1)

设P0为作用在CD界面上的水平压力,则根据式(2)可计算得出施加在极限平衡区ABCD水平方向上的合力为

P=P0-Pi=h×1×AkγH-Pi

(2)

煤体极限平衡区内实体煤与顶底板界面剪应力大小满足式(3)

τ(x)=c0+σytanφ0

(3)

式中,c0为滑移面的粘聚力,取1.5 MPa;φ0为滑移面的内摩擦角,取30°。

此时煤体的塑性区宽度为

Lp=x0-Ls

(4)

通过构建的回采巷道帮部破坏力学模型可得,巷道开挖破坏的帮部煤体的变形破坏不仅受外部因素如巷道埋深、煤层高度等的影响,煤体自身强度及煤层与顶底板接触面的强度参数也与之密切相关。因此,以支承压力下煤帮荷载传递的双曲函数力学模型为基础,结合煤体自身变形及顶、底板的相对移动,通过计算实体煤变形时的水平位移,进而计算得到塑性条件下实体煤的极限平衡区宽度,基于此建立的帮部片帮模型更具有严密性和通用性。

综上所述,根据帮部变形破坏力学机理建立的力学模型,将各参数代入可以得到214201工作面皮带顺槽煤壁帮部破裂区范围Ls=0.48 m,帮部塑性区范围Lp=0.93 m,帮部应力升高区Le=1.78 m。帮部破裂区垂直应力σy=3.6 MPa,塑性区垂直应力σy=6.7 MPa,应力升高区垂直应力σy=8.4 MPa。

3 煤柱合理宽度计算及工业验证

3.1 区段煤柱合理宽度理论计算

煤柱与岩石的破坏机理相似,可以根据岩石的破坏机理了解到区段煤柱由于各点的受力均小于实体煤的屈服极限载荷而处于弹性变形阶段,不会出现变形破坏。区段煤柱内某处受力状态由于超过煤体的屈服极限载荷而出现塑性变形,应力集中现象出现,导致此处周围实体煤的承载能力降低,采动影响加剧了这一现象,但不会使得煤柱破坏加剧。最开始发生塑性变形区域内的实体煤承载能力下降使得实体煤周围集中应力超过其屈服极限载荷时,塑性区域得到扩展,最终煤柱发生整体变形甚至失稳。在区段煤柱破坏机理基础上,结合韩家湾煤矿地质条件,通过不同角度对比,分析了3种不同理论分析区段煤柱宽度计算方法。

3.1.1 经验公式法

由经验可得煤柱边缘距支承压力峰值点的距离L可通过式(5)计算得出

L=7.015-0.475f-0.16Rc1-0.199ξ+1.593M+

1.73×10-3H

(5)

式中,f为实体煤坚固性系数,取f=2;Rc1为顶板岩层抗压强度,取32.75 MPa;ζ为煤层倾角,取1.5°;M为采煤机割煤高度,取2.9 m;H为巷道埋深,157～101 m,取134 m。计算可得L=5.1 m。

根据以往专家学者的研究表明,侧向支撑压力呈对称分布形态,并以峰值点为中轴线对称。因此,区段煤柱合理宽度B≥2L,并通过以上分析求得B值为

B≥2L=2×5.1=10.2 m

区段煤柱经验公式法计算区段煤柱宽度倾向于根据现场及所处地区各力学参数,考虑煤层采高、坚硬性系数、煤层倾角和埋深等,反推区段煤柱的合理留设宽度。此种区段煤柱宽度理论计算方法误差较大,更加倾向于经验和现场实践结果。其优点是立足于现场生产,留设的区段煤柱宽度明显大于合理宽度,能保证矿井工作面安全回采,但容易造成煤炭资源浪费。

3.1.2 载荷估算法

上覆岩层的自重以及采空区上覆岩层转移载荷是载荷估算法主要研究的对象,单位长度煤柱体所受载荷由式(6)计算

P=[(B+D)×H-0.25D2cotψ]ρg

(6)

式中,B为区段煤柱宽度,取15 m;D为采空区宽度,取50 m;ψ为岩层自然垮落角,取30°;ρ为岩层平均密度,取2.3 t/m3。

区段煤柱单位宽度上所受载荷通过式(7)计算

(7)

通过下式计算得煤柱的极限载荷

(8)

式中,Rc2为煤体单轴抗压强度,取15.8 MPa;h为区段煤柱高度,取2.9 m。

煤柱要保持稳定性,其所受平均载荷不能超过其极限载荷,即σ≤R,则有根据上述数据以及公式得区段煤柱的合理尺寸B≥9.8 m。

上覆岩层的自重、采空区上覆岩层传递载荷以及单位长度煤柱体所受的载荷是载荷估算法确定区段煤柱宽度所考虑的主要因素,对上覆岩层结构考虑较少,对覆岩载荷转化进行了理想化处理,基于此确定了区段煤柱宽度。应用区段煤柱的载荷等效转化思想,提高了区段煤柱合理宽度计算的准确性。

3.1.3 弹性核理论计算法

将韩家湾煤矿213107工作面煤柱理论宽度设为B,煤柱一侧为采空区,另一侧为工作面胶运巷,采掘导致煤柱内部形成塑性状态下的破碎区域、应力增高区域以及弹性状态下的应力增高区域,为对煤柱内的应力变化进行简化研究,简化处理如图2所示。在锚杆极限锚固力条件下,为确保巷道能够保持稳定,工作面能够正常回采,将锚杆设定在极限锚固力条件下以此来研究煤柱尺寸,确保得到煤柱的合理尺寸,通过力学计算模型得出煤柱合理尺寸的计算公式为

图2 理论煤柱宽度简化计算模型

B=X1+X2+X3

(9)

式中,X1为上区段工作面开采后采空区侧实体煤中产生的塑性区宽度;X2为帮锚杆有效长度,取矿上现有帮锚杆长度2.2 m;X3为煤柱宽度变化量,一般取X1+X2值的15%～35%。

煤柱在锚杆极限载荷下的边界包括采空区侧塑性变形阶段和弹性变形阶段下的应力增高范围重叠的部位,边界条件满足以下方程

(10)

式中,x,y为极限平衡状态下煤体在X和Y方向的体积力。

通过推算可得到采空区侧煤体塑性屈服区域的宽度为

(11)

式中,m为巷道高度,取2.9 m;A为侧压系数,取0.8;k为应力集中系数,取3;γ为上覆岩层平均容重,取25 kN/m3;Pz为锚杆对煤帮支护阻力,取0.08 MPa;根据上述数据可以求出综放工作面区段煤柱宽度的理论值,进而求得煤柱宽度值为8.9 m。

弹性核理论计算法结合回采巷道帮部破坏力学机理,考虑了煤体应力分布及位移、不同情况下煤帮极限平衡区宽度,将区段煤柱的微观现象和宏观现象相结合,分析区段煤柱处于不同受力状态和破坏状态时,最终确定区段煤柱宽度。相较于经验公式法和载荷估算法,弹性核理论计算法结合构建的巷道帮部变形破坏模型,对区段煤柱合理宽度计算更加准确。

综上分析可得,结合上述3种方法和韩家湾煤矿地质条件确定的各力学参数,计算可得区段煤柱合理尺寸范围为8.9～10.2 m。为保证巷道稳定、工作面安全生产、减少煤炭资源的浪费并结合现场施工方法,最终确定区段煤柱的合理尺寸为10.2 m。

3.2 下组煤巷道支护参数及围岩变形量分析

根据前面对区段煤柱塑性区的研究并结合矿井实际生产条件对原有支护方案改进,通过对比改进方案和原支护方案巷道围岩变形量得到巷道帮部最优支护参数。共计提出2种改进方案,具体支护方案如图3所示。

图3 下组煤巷道帮部支护方案示意

通过在214201工作面采用分区监测的方法,对改进后的巷道支护方案A和B在区段煤柱侧围岩的变形量展开监测。由监测结果可知,在原支护方案条件下,巷道变形量最大,最大变形量为89 mm;在优化支护方案A条件下(巷道100～150 m),巷道变形量减小程度较大,此时巷道最大变形量为23 mm;在优化支护方案B条件下(巷道150～200 m),对巷道变形的控制作用较小,巷道最大变形量为21 mm,见表1。由此可见,从巷道变形量和支护经济方面出发,优化方案B能够更好地满足现场支护要求。

表1 巷道围岩变形量

4 结论

(1)分析了回采巷道帮部支承压力特征,构建了矩形巷道帮部变形破坏力学模型,计算了4-2煤层帮部的破碎区及塑性区范围分别为0.48 m和0.93 m,帮部应力升高区1.78 m。帮部破碎区垂直应力3.6 MPa,塑性区垂直应力6.7 MPa,应力升高区垂直应力8.4 MPa,得出了回采巷道帮部煤体破坏的主要原因是两帮煤体在顶板侧向支承压力作用下发生拉伸破断而形成片帮。

(2)采用经验公式法、载荷估算法和弹性核法综合计算得出了韩家湾煤矿3-1煤层区段煤柱合理宽度为10.2 m。

(3)通过对214201工作面巷道采用不同支护方案并对巷道围岩变形量监测发现,在优化支护方案A条件下,巷道最大变形量为23 mm,方案B巷道最大变形量为21 mm,考虑到经济成本,最终选用优化支护方案B作为巷道支护的最终方案。