張文偉
(潞安環(huán)能股份有限公司 常村煤礦,山西 長治 046200)
隨著國家對資源需求的日漸增長,煤炭作為主要能源,已從過去的淺部開采逐漸轉(zhuǎn)入深部開采。深部開采時,在高應(yīng)力作用下,深部巷道圍巖變形較淺部更加劇烈,易出現(xiàn)大變形而失穩(wěn)[1-2],在實際生產(chǎn)中,礦井通常利用現(xiàn)場經(jīng)驗留設(shè)煤柱尺寸,導(dǎo)致煤柱尺寸留設(shè)寬度不合理,造成資源浪費,而且煤柱過寬使得煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴重,巷道圍巖變形劇烈,甚至造成失穩(wěn),因此留設(shè)合理煤柱寬度,不僅能夠提高資源利用率,而且能夠有效提高煤柱承載能力,提高巷道整體的穩(wěn)定性[3]. 常村礦2105工作面由于工作面間煤柱尺寸留設(shè)較大,造成煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中,使得巷道應(yīng)力變形嚴重,因此在該礦地質(zhì)條件基礎(chǔ)上進行合理煤柱的尺寸留設(shè)研究,最終確定合理煤柱寬度,為工作面留煤柱沿空掘巷提供理論依據(jù)。
常村礦所采3#煤層位于山西組的中、下部,煤層賦存穩(wěn)定。該工作面平均煤層厚度5.85 m,煤層傾角0~7°,煤體容重1.4 t/m3,煤層普氏硬度0.4.
2105工作面位山西大川中天煤化工有限公司、老軍莊東部,長治果樹場南場西部。地面標高為+935.1~+941.4 m,工作面標高為+420.6~+485.1 m,埋藏深度為453.2~517.7 m,巷道窄煤柱留設(shè)5 m.
上區(qū)段工作面開采后,側(cè)向煤體支承應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移,通過留設(shè)較大寬度的煤柱控制巷道圍巖變形,因此基于大煤體應(yīng)力分布規(guī)律,建立煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型,見圖1.
通過理論計算分析,最終確定式(1)所示的煤柱兩側(cè)極限平衡區(qū)理論計算公式[4]:
其中,煤柱位于巷道上側(cè)方的極限平衡區(qū)寬度為:
(1)
煤柱位于巷道下側(cè)方的煤柱極限平衡區(qū)寬度為:
(2)
式中:
m—工作面采高,m;
α—煤層傾角,(°);
A—側(cè)壓系數(shù);
K—應(yīng)力集中系數(shù);
γ—上覆巖層平均體積力,MN/m3;
H—巷道埋深,m;
φ0—煤體內(nèi)摩擦角,(°);
C0—煤體內(nèi)聚力,MPa;
Px—上區(qū)段工作面巷道煤幫的支護阻力,MPa.
圖1 煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型圖
為保證煤柱有效承載和穩(wěn)定性,護巷煤柱內(nèi)部除塑性區(qū)范圍外,還需要包含一定范圍的彈性區(qū),因此建立煤柱中部彈性區(qū)支承應(yīng)力力學(xué)模型,見圖2.
圖2 煤柱中部彈性區(qū)支承應(yīng)力力學(xué)模型圖
基于圖2所示力學(xué)模型,假設(shè)計算煤柱內(nèi)部彈性區(qū)兩側(cè)的寬度分別為L1和L2,則煤柱位于巷道上側(cè)方的極限平衡區(qū)寬度為[5]:
L1=
(3)
煤柱位于巷道下側(cè)方的煤柱極限平衡區(qū)寬度為:
L2=
(4)
式(3)和式(4)中:
(5)
式中:
k1—煤柱內(nèi)巷道上側(cè)方的彈塑性區(qū)交界處應(yīng)力集中系數(shù);
k2—煤柱內(nèi)巷道下側(cè)方的彈塑性區(qū)交界處應(yīng)力集中系數(shù)。
基于彈塑性力學(xué)理論和極限平衡區(qū)理論,設(shè)計煤柱寬度B范圍,見圖3.
圖3 護巷煤柱寬度圖
因此,護巷煤柱寬度為:
B=X1+X2+L1+L2
(6)
由式(1)—(5)可得:
基于現(xiàn)場地質(zhì)數(shù)據(jù),取m=5.85 m,α=5°,γ=0.25 MN/m3,H=485.5 m,同時,基于巖石力學(xué)實驗和礦壓數(shù)據(jù)監(jiān)測得出:C0=3.0 MPa,A=0.3,Px=0.4 MPa,φ0=32°,k1=K1=2.1,k2=K2=2.3,由此計算可得:
x1=4.29 m,x2=4.45 m,L1=2.46 m,L2=2.67 m;B=x1+x2+L1+L2
因此,計算的窄煤柱最小理論寬度B=13.87 m.
基于煤柱理論尺寸,制定8 m,11 m和14 m煤柱模擬方案進行煤柱穩(wěn)定性驗證,由于模型位移和應(yīng)力對現(xiàn)場煤柱真實變形反映有限,因此模擬主要基于煤柱塑性區(qū)破壞模擬,模擬結(jié)果見圖4.
由計算結(jié)論可知,煤柱兩側(cè)破碎區(qū)之和為8.74 m,結(jié)合圖4a)可知,當(dāng)煤柱寬度為8 m時,煤柱已發(fā)生破壞,此時煤柱承載能力急劇下降,無法保證巷道的穩(wěn)定性;當(dāng)煤柱寬度為11 m時,由圖4b)可知,煤柱內(nèi)部存在部分塑性區(qū),煤柱承載能力較8 m煤柱增強,自身穩(wěn)定性增強;當(dāng)煤柱增大到14 m時,煤柱內(nèi)部彈性區(qū)范圍繼續(xù)增大,煤柱完整性進一步提高,進一步提高巷道圍巖控制能力。
圖4 不同方案窄煤柱塑性區(qū)分布圖
結(jié)合煤柱理論計算范圍和煤柱模擬結(jié)果,最終確定煤柱寬度為14 m.
本文基于常村礦2105工作面的實際地質(zhì)條件,對相鄰區(qū)段巷道煤柱留設(shè)尺寸進行分析研究,通過計算分析得煤柱理論寬度B=13.87 m,然后結(jié)合數(shù)值模擬,確定煤柱最終寬度為14 m. 該結(jié)論可為安全生產(chǎn)、巷道維護提供理論依據(jù)。