瑶渠煤矿大巷间煤柱尺寸确定及支护优化*

路 贝,张 波,张 浩,3,解盘石,3

(1.神木市煤矿安全执法大队,陕西 榆林 719300;2.西安科技大学 能源学院,陕西 西安 710054;3.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室,陕西 西安 710054)

0 引言

目前我国煤炭开采仍面临煤炭资源采出率低的问题,提高煤炭资源采出率,减少一次性资源损失仍是工程界亟待解决的技术难点[1]。煤层赋存及地质因素、采煤方法的因素、管理因素等都会影响煤炭的采出率[2]。煤柱留设一直以来是煤矿中常用的护巷方法,留设煤柱应该在保证巷道稳定性同时,使煤柱宽度尽可能的小,因此,留设合理尺寸的煤柱,对提高资源采出率和保障安全生产都有重要的意义。

近年来,广大学者采用理论分析、数值计算、物理模拟以及现场实测等方法对沿空掘巷煤柱宽度优化及支护设计[3-6]、固液耦合作用下隔水煤柱合理尺寸确定[7-9]、冲击地压对煤柱宽度的影响[10-11]、大巷煤柱参数的优化设计[12-15]等问题开展了研究,并极大地改善了煤炭开采效率。但是受剥蚀区等地质条件的影响,在巷道掘进过程中需要及时避让,其保护煤柱尺寸也会发生改变,因此,亟需开展大巷过剥蚀区煤柱合理尺寸及围岩稳定性研究。

以瑶渠煤矿西采区Ⅱ回风大巷为研究对象,采用理论计算、数值计算等方法,研究不同工况下(煤柱宽度、支护条件)大巷围岩的应力、位移和塑性区分布规律,以期为类似条件煤层开采提供理论参考。

1 工程概况

瑶渠煤矿位于神木市解家堡乡大柏堡村,主要可采煤层5-2煤层的底板标高变化在+1 092～+1 128 m,煤层平均倾角1°左右,煤层埋深0～108.38 m,平均67.80 m,埋深浅并且构造简单。煤层平均厚度1.9 m,由北向南逐渐变薄,较为稳定,含1～2层夹矸,夹矸厚度0.05～0.3 m。顶板主要为细粒砂岩、粉砂岩,其次为砂质泥岩;底板主要为粉砂岩、砂质泥岩,其次为细粒砂岩,煤岩物理特性见表1。

表1 煤岩物理特性Table 1 Physical characteristics of coal and rock

大巷沿5-2煤层底板布置,大巷间保护煤柱宽30 m。现西采区Ⅱ回风大巷由北向南掘进过程中,由于前方存在剥蚀区,需向东南方掘进避开剥蚀区,因此西采区Ⅱ回风大巷与西采区Ⅱ辅运大巷之间煤柱合理尺寸的留设及巷道的支护是维护巷道围岩稳定的关键。大巷布置如图1所示。

图1 大巷布置Fig.1 Large roadway layout

2 大巷间煤柱合理尺寸留设理论计算

巷道掘进后,围岩内部应力重新分布,且应力影响范围近似为巷道断面半径的6倍,巷道间距D为

6R

(1)

式中,R为大断面巷道半径,m;r为小断面巷道半径,m。

由于西采区Ⅱ回风大巷、辅运大巷断面均为矩形,宽(l)×高(h)依次为5 m×2.6 m、5 m×2.8 m,巷道间距计算过程中可将巷道断面等效为圆状,则两巷等效圆直径d1、d2为

(2)

由上式计算可得,R=1.06 m,r=1.02 m,结合式(1)可得D满足

6×1.06 m6.36 m

(3)

为进一步确定煤柱宽度,应兼顾煤柱承载极值状况,而煤柱承载包含煤柱覆岩及煤柱侧采空悬露岩层转移到煤柱上的部分重量,煤柱单位面积载荷即平均应力σ为

(4)

式中,p为总荷载,kN;γ为覆岩体积力,kN/m3;H为埋藏深度,m;δ为覆岩垮落角,(°);D为煤柱宽度,m;B为巷道宽度,m。

煤柱强度决定其承载后稳定性状态,而煤柱强度又受煤体抗压强度、尺寸(高、宽)及构造特征的影响,可由Obert-Dwvall/Wang公式得

(5)

式中,R煤柱为煤柱抗压强度,MPa;Rc为煤抗压强度,MPa;h为煤柱高度,m。

巷道煤柱稳定的关键是确保承载及强度极限平衡,即必须保证σ≤R煤柱,因此煤柱宽度为

(6)

式中,δ为垮落角,取71°(基岩移动角);H为埋深,67.8 m;B为巷道宽度,5 m;h为巷道高度,2.6 m;γ为覆岩体积力,25 kN/m3;Rc为煤抗压强度,15.6 MPa。通过式(6)计算可得煤柱宽度为9.23 m。

3 不同煤柱尺寸数值模拟及分析

3.1 数值模型建立

按照瑶渠煤矿实际情况借助FLAC3D数值计算软件,构建5-2煤层大巷间煤柱尺寸数值计算模型(图2),模型尺寸为225 m×175 m×40 m(长×宽×高)。采用Mohr-Coulomb本构模型,模型底部限制垂直位移,顶部施加覆岩等效载荷,侧部限制水平移动,整个模型由95 056个单元组成,包括158 661个节点。模型煤柱尺寸分别为8 m、10 m、12 m、14 m。煤岩力学参数见表2。

图2 数值模拟模型Fig.2 Numerical simulation model

表2 煤岩主要力学参数Table 2 Main mechanical parameters of coal and rock

3.2 不同煤柱尺寸下巷道围岩垂直应力演化规律

巷道掘进后顶底板均会应力释放,且顶板卸荷范围大于底板(图3),巷道两侧煤柱易应力集中,且煤柱内应力集中程度较边界煤体大。当煤柱尺寸由14 m逐渐减小到8 m时,煤柱内的应力集中现象由两侧向中部发展。当煤柱尺寸分别为14 m、12 m、10 m、8 m时煤柱内的最大垂直应力分别为1.381 MPa、1.406 MPa、1.479 MPa、1.465 MPa,最大垂直应力呈现先增大后减小的趋势。这是由于随着煤柱尺寸的减小,煤柱内压力越大,当煤柱宽度为6 m时,其内部已经发生破坏便产生卸荷。

图3 不同煤柱尺寸下巷道围岩垂直应力云图Fig.3 Vertical stress nephogram of roadway surrounding rock under different coal pillar sizes

3.3 不同煤柱尺寸下巷道围岩位移演化规律

巷道掘进后,巷道顶底板均会出现显著变形(图4),随着回风大巷与辅运大巷之间煤柱尺寸减小,巷道顶板的最大下沉量由1.653×10-3m增加至1.860×10-3m,下沉量增加了12.52%。而巷道底鼓量由0.876×10-3m增加到0.888×10-3m,底鼓量增加了1.36%,增幅较小,因此,维持巷道顶板的稳定是掘进期间的重要工作。

图4 不同煤柱尺寸下巷道顶底板位移量Fig.4 Displacement of roadway roof and floor under different coal pillar sizes

3.4 不同煤柱尺寸下巷道塑性区分布规律

巷道掘进后围岩主要以剪切破坏为主,如图5所示,巷道两侧煤柱的塑性区范围略大于顶底板塑性区范围,其中顶底板塑性区主要发生在巷道的边角处,大致形成“蝶形”。随着煤柱尺寸由14 m减小到8 m时,回风大巷与辅运大巷围岩塑性区往横向扩张,当煤柱尺寸为14 m和10 m时,掘进过程中两巷围岩塑性区不会贯穿产生叠加,此时煤柱比较稳定;当煤柱尺寸为10 m时,煤柱内塑性区范围进一步扩张,煤柱两侧塑性区在中部区域恰好形成相切,此时为煤柱承载的临界值;当煤柱尺寸为8 m时,掘进回风大巷时煤柱内部的塑性区会产生交汇,整个煤柱产生破坏,煤柱承载能力较差。

图5 不同煤柱尺寸下巷道围岩塑性区云图Fig.5 Cloud of plastic zone of roadway surrounding rock under different coal pillar sizes

综上所述,当煤柱尺寸为8 m时,煤柱变形破坏严重,承载能力较差,不利于巷道围岩的稳定性控制;当煤柱尺寸为10 m时,煤柱内会产生变形破坏,但其内部塑性区未贯通整个煤柱,仍存有一定的弹性核区域,具有一定的承载能力;煤柱尺寸为12 m和14 m时,煤柱内部破坏区域较小,稳定性较好,但随着煤柱宽度的增大,其资源浪费严重。结合煤柱宽度理论计算结果可知,西采区Ⅱ大巷间煤柱最小合理尺寸为10 m。

4 巷道围岩支护优化

4.1 支护参数确定

根据对瑶渠煤矿西采区Ⅱ回风大巷与辅运大巷之间煤柱尺寸的理论计算及模拟分析,确定煤柱合理宽度最小为10 m。在此基础上,主运大巷与辅运大巷均采用原有支护参数,用正交模拟确定回风大巷锚杆与锚索数量、间排距等参数。

瑶渠煤矿西采区Ⅱ回风大巷原始支护方式如图6(a)所示,根据模拟结果,当回风大巷与辅运大巷之间煤柱宽度为10 m时,确定西采区Ⅱ回风大巷支护参数如图6(b)所示,巷道全断面共布置12根高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆,其中顶部锚杆参数直径为18 mm,长度为2 100 mm,呈“矩形”布置,间排距900 mm×1 000 mm,顶板每排6根锚杆,锚杆外露长度为30 mm。侧帮锚杆由每帮2根增加至3根,也呈“矩形”布置,锚杆直径为18 mm,长度为1 800 mm,间排距均为800 mm×1 000 mm。顶部锚索采用φ17.8 mm×7 100 mm型钢绞线锚索,间排距为1.6 m×2.5 m,每排3根,每根锚索采用3卷Z2360锚固剂锚固,锚索锚固力不小于100 kN,锚索外露长度为200 mm。

4.2 优化支护效果验证

根据所确定的支护优化参数,进行数值模拟验证,从巷道围岩应力、位移及塑性区演化规律分析如图7所示。由数值模拟现象可得,当西采区Ⅱ回风大巷与辅运大巷之间煤柱宽度为10 m时,通过原有支护条件与优化支护后比较,原有支护方案下巷道围岩应力极值为1.470 MPa,优化后应力极值为0.912 MPa;巷道顶底板变形量由1.685×10-3m、0.861×10-3m分别减小至0.873×10-3m、0.443×10-3m,巷道围岩变形量明显减小;优化支护后巷道围岩塑性区范围显著减小,巷道顶部破坏区厚度由3.590 m减小至2.125 m,煤柱内破坏厚度由4.162 m减小至3.254 m。综上可知,在支护方式优化后,巷道围岩应力、位移及塑性区均有所改善,能够有效的控制巷道周边围岩的运动,减小巷道变形,达到较好的支护效果,保证巷道的整体稳定性。

图7 支护效果对比Fig.7 Comparison of supporting effect

5 结论

(1)考虑巷道围岩应力影响带以及巷道间煤柱的稳定性对煤柱合理尺寸进行理论计算,确定煤柱留设尺寸应大于9.23 m。

(2)建立不同煤柱尺寸的数值计算模型,煤柱尺寸由14 m减小至8 m时,巷道围岩内的垂直应力、位移及塑性区范围呈增大趋势。当煤柱尺寸为10 m时,煤柱内部具有一定的弹性核区域,能够满足巷道围岩的稳定性。综合考虑,煤柱最小合理尺寸为10 m。

(3)煤柱尺寸为10 m时,帮部3根锚杆支护后巷道围岩应力、位移和塑性区均有显著改善,能够有效控制巷道围岩变形。