基于滲流力學(xué)的高瓦斯綜放面窄煤柱寬度確定機制

王 凱 郝兵元 張鵬鵬 喬永鳳

(1. 山西工程技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程系，山西省陽泉市，045000；2. 太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

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基于滲流力學(xué)的高瓦斯綜放面窄煤柱寬度確定機制

王 凱1郝兵元2張鵬鵬2喬永鳳1

(1. 山西工程技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程系，山西省陽泉市，045000；2. 太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

針對高瓦斯綜放面沿空窄煤柱阻隔鄰空區(qū)瓦斯有效性的問題，采用滲流力學(xué)及數(shù)值模擬的方法分析了煤柱內(nèi)穩(wěn)定區(qū)厚高比與瓦斯?jié)B流量關(guān)系，以及不同寬度煤柱受動壓影響時兩側(cè)破碎區(qū)演化規(guī)律。結(jié)果表明，超前支承壓力強烈影響范圍內(nèi)，窄煤柱穩(wěn)定區(qū)厚高比達(dá)到0.5，即可有效阻隔鄰空區(qū)瓦斯。煤柱較小時，超前支承壓力強烈影響范圍內(nèi)煤柱全部進(jìn)入破碎狀態(tài)；隨煤柱寬度增大，超前支承壓力強烈影響范圍內(nèi)煤柱出現(xiàn)穩(wěn)定區(qū)，其兩側(cè)破碎區(qū)厚度之和為定值。研究成果在陽煤五礦8407綜放面成功應(yīng)用，并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

高瓦斯 綜放面 滲流力學(xué) 數(shù)值模擬 窄煤柱 合理寬度

沿空窄煤柱護(hù)巷技術(shù)具有煤炭資源回收率高、經(jīng)濟(jì)及社會效益好等優(yōu)勢，得到煤礦企業(yè)廣泛采用。在窄煤柱應(yīng)用實踐中，由于不同礦井的煤層地質(zhì)條件及開采技術(shù)差異性，合理寬度確定成為難點。之前多數(shù)研究成果側(cè)重于窄煤柱自身穩(wěn)定性、應(yīng)力環(huán)境以及對沿空巷道的維護(hù)效果，從阻隔鄰空區(qū)瓦斯?jié)B流角度確定窄煤柱寬度方向研究較少。陽泉礦區(qū)15#煤層通常采用綜采放頂煤方法開采，該煤層屬于高瓦斯煤層，區(qū)段之間留設(shè)20～30 m護(hù)巷煤柱，一直視窄煤柱布置方式為“雷區(qū)”，主要憂于窄煤柱在劇烈動壓作用下被壓裂而致使鄰空區(qū)瓦斯進(jìn)入回采空間繼而引發(fā)事故。本文以陽煤集團(tuán)五礦8407綜放面為工程背景，建立滲流力學(xué)模型，確定窄煤柱穩(wěn)定區(qū)厚度，運用數(shù)值模擬方法計算煤柱兩側(cè)破碎區(qū)厚度，進(jìn)而確定高瓦斯沿空窄煤柱寬度。該研究對陽泉礦區(qū)15#煤層及其他礦區(qū)類似條件煤層窄煤柱應(yīng)用意義重大。

1 工程地質(zhì)概況

8407綜放面北部為南茹村保護(hù)煤柱，東鄰已采8409工作面。煤層平均厚度6.8 m，平均埋深360 m，絕對瓦斯涌出量為190 m3/min，相對瓦斯涌出量為72 m3/t?；仫L(fēng)平巷凈寬5.0 m，凈高4.0 m。巷道采用錨固支護(hù)方式。煤層直接頂泥巖厚4.48 m，基本頂為細(xì)砂巖，厚5.81 m，頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)力學(xué)參數(shù)

2 窄煤柱寬度確定

2.1 窄煤柱穩(wěn)定區(qū)寬度

綜放面窄煤柱及沿空巷道通常位于采空側(cè)塑性區(qū)與破碎區(qū)煤體內(nèi)。沿空巷道開挖后，形成的窄煤柱由兩側(cè)破碎區(qū)和中部穩(wěn)定區(qū)兩部分組成，破碎區(qū)處于峰后應(yīng)力狀態(tài)，其裂隙極為發(fā)育，相互貫通。根據(jù)巷道圍巖注漿效果實測揭示，注漿液在窄煤柱破碎區(qū)內(nèi)的滲流性能比原巖體高出3～4個數(shù)量級，而瓦斯氣體的粘滯系數(shù)遠(yuǎn)小于漿液，在破碎區(qū)內(nèi)流動性更強。穩(wěn)定區(qū)煤體處于塑性狀態(tài)，該部分煤體內(nèi)存在大量原生裂隙及次生裂隙，具有一定的滲透性，同時，穩(wěn)定區(qū)又屬于窄煤柱的主承載部分，垂直于支承壓力作用方向的裂隙受壓閉合，其滲透性高于原巖狀態(tài)煤體，但遠(yuǎn)低于破碎區(qū)。因此，能否有效阻隔相鄰采空區(qū)瓦斯，主要取決于窄煤柱內(nèi)穩(wěn)定區(qū)的幾何尺寸及滲透性。

根據(jù)滲流力學(xué)中的達(dá)西定律，將窄煤柱內(nèi)處于不同破壞狀態(tài)的煤體建立圖1所示模型。

圖1 窄煤柱瓦斯?jié)B流模型

煤柱兩側(cè)破碎區(qū)滲透率為K1，穩(wěn)定區(qū)滲透率K2，采空側(cè)破碎區(qū)寬度L1，穩(wěn)定區(qū)寬度L2，回采側(cè)破碎區(qū)寬度L3，煤柱兩側(cè)瓦斯壓差為Δp=p1-p2。

采空側(cè)向回采側(cè)的瓦斯?jié)B流量，由達(dá)西定律知：

(1)

式中：q——瓦斯?jié)B流量，m3/s；

K2——煤柱穩(wěn)定區(qū)滲透率，取1×10-15m2；

X——煤柱長度，取10 m；

H——煤柱高度，m；

L2——煤柱穩(wěn)定區(qū)厚度，m；

Δp——煤柱穩(wěn)定區(qū)兩側(cè)氣體壓差，取1×103Pa；

μ——瓦斯粘滯系數(shù)，取1.08×10-8Pa·s；

γ——煤柱穩(wěn)定區(qū)厚高比。

瓦斯?jié)B流量q與煤柱穩(wěn)定區(qū)厚高比γ的關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2可見，當(dāng)窄煤柱穩(wěn)定區(qū)厚高比小于0.5時，隨厚高比增大，瓦斯?jié)B流量迅速減??；當(dāng)煤柱穩(wěn)定區(qū)厚高比大于0.5時，隨著厚高比增大，瓦斯?jié)B流量繼續(xù)減小，但減小速率極為緩慢。厚高比為0.5所在位置近似于曲線的拐點，處于該點左側(cè)時，增加厚高比能夠有效抑制瓦斯?jié)B流量，位于該點右側(cè)時，繼續(xù)增加厚高比對減少瓦斯?jié)B流量效果已不明顯。因此，在高瓦斯綜放面沿空窄煤柱留設(shè)中，為有效阻隔鄰空區(qū)瓦斯?jié)B流至回采空間，回采面前方窄煤柱內(nèi)穩(wěn)定區(qū)厚度應(yīng)不小于0.5倍巷道高度。

圖2 瓦斯?jié)B流量與煤柱穩(wěn)定區(qū)厚高比關(guān)系曲線

2.2 窄煤柱兩側(cè)破碎區(qū)寬度

沿空巷掘出后，窄煤柱兩側(cè)均形成一定厚度破碎區(qū)，隨工作面向前推進(jìn)，位于超前支承壓力強烈影響的煤柱兩側(cè)破碎區(qū)將進(jìn)一步擴展，穩(wěn)定區(qū)不斷縮小。傳統(tǒng)的極限平衡理論公式計算巷道圍破碎區(qū)厚度得到廣泛應(yīng)用，但計算值往往與實際觀測結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，數(shù)值計算方法能夠很好地反映出煤柱兩側(cè)破碎區(qū)發(fā)展演化過程。

2.2.1 模型建立

依據(jù)陽煤集團(tuán)五礦8407綜放面工作條件，建

立長×寬×高為140 m×95 m×37.5 m的模型，如圖3所示，煤柱寬度分別取4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m、13 m、14 m和15 m。模型左右前后邊界施加水平方向0位移約束，下邊界施加垂直和水平方向0位移約束，上邊界施加7 MPa荷載。

圖3 數(shù)值計算模型

2.2.2 結(jié)果分析

老頂初次來壓時礦壓顯現(xiàn)強度較周期來壓更強，破壞性更大，掌握工作面初次來壓時煤柱內(nèi)煤體的破壞情況對煤柱寬度確定更具實際意義。據(jù)長期觀測，陽煤集團(tuán)五礦15#煤層綜放面初次來壓步距為30～40 m。因此，考察模擬工作面開采40 m時煤柱內(nèi)破碎區(qū)的變化情況。不同寬度煤柱內(nèi)煤體模擬破壞情況如圖4所示。

圖4 不同寬度煤柱內(nèi)煤體破壞情況

由圖4可見，煤柱寬度小于8 m時，巷道形成后，煤柱兩側(cè)全部處于塑性狀態(tài)；隨著工作面向前推進(jìn)，煤柱內(nèi)塑性區(qū)受到擾動逐步進(jìn)入破碎狀態(tài)；工作面推進(jìn)至40 m時，寬度小于8 m的煤柱在工作面前方35 m范圍內(nèi)其煤體全部進(jìn)入破碎狀態(tài)，煤柱寬9 m時，工作面前方5 m范圍內(nèi)煤柱完全破碎，煤柱寬度大于10 m時，工作面前方煤柱無完全破碎區(qū)。

工作面開采至40 m時，煤柱寬度由8 m增至15 m過程中，煤柱兩側(cè)破碎區(qū)厚度之和基本保持為8 m，中部穩(wěn)定區(qū)厚度逐漸增加，如圖5所示。據(jù)此可確定窄煤柱兩側(cè)破碎區(qū)最大厚度之和為 8 m。

圖5 煤柱兩側(cè)破碎區(qū)及穩(wěn)定區(qū)厚度與煤柱厚度關(guān)系

2.3 窄煤柱寬度確定

8407工作面回風(fēng)平巷凈高4 m，據(jù)前述分析，受工作面超前支承壓力強烈影響范圍內(nèi)，窄煤柱內(nèi)穩(wěn)定區(qū)厚度不應(yīng)小于2 m，而煤柱兩側(cè)最大破碎區(qū)厚度之和保持在8 m左右，由此可確定沿空窄煤柱寬度為10 m。

3 工程應(yīng)用

8407綜放面回風(fēng)巷沿采空區(qū)留設(shè)10 m窄煤柱掘出后，在巷內(nèi)布置3個測站，每一測站煤柱內(nèi)不同深度安設(shè)12個鉆孔應(yīng)力計，孔深分別為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m、6.5 m，由淺至深依次為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#和12#，相鄰鉆孔水平間距為0.3 m，距底板高2 m，在孔底各安設(shè)一個GYW20W圍巖應(yīng)力傳感器，每個測站巷道頂角處安置2個瓦斯傳感器，測站布置如圖6所示。

由于工作面超前支護(hù)架棚施工中破壞了觀測設(shè)備與線纜，迫使測站Ⅱ與測站Ⅲ數(shù)據(jù)采集中斷。圖7與圖8為測站Ⅰ煤柱內(nèi)應(yīng)力計瓦斯?jié)舛扰c工作面推進(jìn)關(guān)系曲線。

隨工作面推進(jìn)，1#、2#、3#、4#、10#、11#與12#應(yīng)力計讀數(shù)先增大后減小，可見這些應(yīng)力計所在位置煤體最終進(jìn)入破碎狀態(tài)；5#、6#、7#、8#和9#應(yīng)力計讀數(shù)持續(xù)增大，表明這5個應(yīng)力計所在位置煤體處于峰前應(yīng)力狀態(tài)，具有較強的承載能力，如圖7所示，由此可知，回采側(cè)煤柱破碎區(qū)厚度約2.5～3 m，采空側(cè)破碎區(qū)厚度約5～5.5 m，中部穩(wěn)定區(qū)約2 m，這與理論計算及數(shù)值模擬結(jié)果吻合性較好。由圖8可知，觀測期間瓦斯?jié)舛鹊陀?.15%，證實了10 m寬窄煤柱能夠有效阻隔鄰空區(qū)瓦斯。

圖6 工作面測站布置方式

圖7 應(yīng)力計讀數(shù)與測站至工作面距離關(guān)系

圖8 測站瓦斯?jié)舛扰c測站至工作面距離關(guān)系

4 結(jié)論

(1)窄煤柱內(nèi)穩(wěn)定區(qū)厚高比小于0.5時，增大比值可顯著減小瓦斯?jié)B流量；厚高比大于0.5時，增大比值對減小瓦斯?jié)B流量效果減弱。煤柱內(nèi)穩(wěn)定區(qū)厚高比達(dá)到0.5時可有效阻隔采空區(qū)瓦斯?jié)B流。

(2)數(shù)值模擬分析了煤柱內(nèi)破碎區(qū)厚度隨其寬度演化規(guī)律。煤柱較小時，超前支承壓力強烈作用范圍內(nèi)煤柱全部進(jìn)入破碎狀態(tài)；隨煤柱寬度增大，超前支承壓力強烈作用范圍內(nèi)煤柱出現(xiàn)穩(wěn)定區(qū)，其兩側(cè)破碎區(qū)最大厚度之和為定值。

(3)將研究成果應(yīng)用于8407綜放面，留設(shè)寬度為10 m的窄煤柱沿空掘出回風(fēng)巷。通過現(xiàn)場實測，煤柱內(nèi)穩(wěn)定區(qū)厚度及其兩側(cè)破碎區(qū)厚度和與理論計算結(jié)果吻合度較好，瓦斯?jié)舛鹊陀?.15%，證實了阻隔鄰空區(qū)瓦斯的有效性。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Determination mechanism of narrow coal pillar width in fully mechanized caving face with high gas based on seepage mechanics

Wang Kai1, Hao Bingyuan2, Zhang Pengpeng2, Qiao Yongfeng1

(1. Department of Mining Engineering, Shanxi Institute of Technology, Yangquan, Shanxi 045000, China;2. College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

In order to confirm the availability of gob-side narrow coal pillar to prevent gas emission of gob in fully mechanized face with high gas, seepage mechanics and numerical simulation were used to analyze the relationship between thickness-height ratio of stable zone and gas seepage in coal pillar, as well as the revolution law of broken zone on both sides of coal pillar with different width under influence of dynamic pressure. The results showed that under the strong influence of advanced bearing pressure, gas of adjacent gob was blocked when the thickness-height ratio of stable zone in coal pillar reached 0.5. The pillar was broken completely when pillar was narrower. With pillar width increased, the stable zone appeared in the pillar in the strong influence range of advanced abutment pressure and sum of broken zones' thickness on both sides of coal pillar was a constant value.The research results had been applied successfully in the 8407 working face in No. 5 Coal Mine of Yangquan Coal Industry Group and achieved remarkable technical and economic effects.

high gas, fully mechanized caving face, seepage mechanics, numerical simulation, narrow coal pillar, reasonable width

山西省科技重大專項(20121101009-03)，山西省自然科學(xué)基金重點項目(2014011044)

王凱，郝兵元，張鵬鵬等. 基于滲流力學(xué)的高瓦斯綜放面窄煤柱寬度確定機制[J].中國煤炭，2017,43(5)：47-51. Wang Kai,Hao Bingyuan, Zhang Pengpeng, et al. Determination mechanism of narrow coal pillar width in fully mechanized caving face with high gas based on seepage mechanics[J]. China Coal, 2017, 43(5):47-51.

TD322.4

A

王凱(1977-)，男，山西陽高人，碩士，講師，從事礦山壓力與巖石力學(xué)方面的教學(xué)與研究工作。