條帶式Wongawilli煤柱特征及作用機理分析

譚 毅，郭文兵，白二虎，楊達明，王比比

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000; 2.河南理工大學 河南省礦產資源綠色高效開采與綜合利用重點實驗室，河南 焦作 454000; 3.煤炭安全生產河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

煤柱一般分為永久隔離煤柱和臨時支撐煤柱兩類[1]，永久隔離煤柱能有效地隔離一個較小的開采區(qū)域，減少或避免已開采區(qū)域對采掘活動的影響;臨時支撐煤柱，其作用是在小區(qū)域開采期間支撐頂板，采后能夠及時破壞。條帶式Wongawilli采煤是將條帶開采的長壁布置方式與短壁柱式Wongawilli高效開采技術相結合的新型采煤法[2-3]，其由刀間煤柱、不規(guī)則煤柱及條帶煤柱形成了特殊的煤柱系統(tǒng)。煤柱系統(tǒng)的穩(wěn)定是覆巖控制的關鍵[4-9]，其主要由組成煤柱系統(tǒng)的不同類型煤柱決定，因此，針對條帶式Wongawilli采煤新方法，借鑒條帶煤柱相關研究經驗[10-13]，研究條帶式Wongawilli采煤法煤柱系統(tǒng)中各個煤柱特征及其工程作用，對于控制覆巖移動及地表下沉是十分必要的。

筆者通過分析條帶式Wongawilli開采煤柱特征，建立條帶煤柱及不規(guī)則煤柱結構力學模型，采用理論分析、相似模擬及工程驗證相結合的方法，分析了條帶式Wongawilli開采煤柱特征及作用機理，為條帶式Wongawilli采煤法應用與推廣提供參考依據(jù)。

1 條帶式Wongawilli采煤法煤柱特征及結構模型

1.1 條帶式Wongawilli采煤法煤柱形式及特點

條帶式Wongawilli采煤法采用短壁連采機進行回采，履帶式行走液壓支架維護采硐與支巷交叉處三角頂板。根據(jù)條帶式Wongawilli采煤法的5種巷道布置方式[14-15]，條帶式Wongawilli采煤法煤柱形式有刀間煤柱、不規(guī)則煤柱、條帶煤柱3種。3種煤柱因其尺寸、形式等不同，其在回采過程中的作用、支護時間等存在諸多區(qū)別(圖1)。

圖1 條帶式Wongawilli采煤巷道布置及煤柱示意Fig.1 Roadway layout and coal pillar of strip Wongawilli mining

(1)刀間煤柱。

條帶式Wongawilli開采在采硐與采硐之間留設2 m左右的狹窄煤柱，即刀間煤柱。從現(xiàn)場來看，刀間煤柱一般與支巷45°成夾角，不能對基本頂起到支撐作用，僅對直接頂起到臨時支撐作用，隨著工作面的推進，刀間煤柱隨采隨垮或者短時間內就失去支撐能力，故本文不做詳細論述。

(2)不規(guī)則煤柱。

無論采用5種巷道布置方式中的哪一種，采硐回采過后，都將形成不規(guī)則的煤柱帶。以雙巷單翼布置為例，兩支巷開采完成后，形成如圖1中的菱形狀的不規(guī)則煤柱帶。在開采過程中，不規(guī)則煤柱帶能一定的起到對頂板的維護作用，同時，隔離相鄰2個支巷采硐，保證通風系統(tǒng)的穩(wěn)定。

(3)條帶煤柱。

支巷間留設下的長條式帶式煤柱對頂板控制起到決定性的作用，且在一個支巷回采完成后，通過在回采巷道構筑的密閉設施，起到封閉采空區(qū)，減少煤礦自然災害作用。

1.2 條帶式Wongawilli采煤法煤柱結構模型

采場覆巖主要由直接頂和基本頂構成，當直接頂厚度小于或等于基本頂厚度時，直接頂?shù)淖冃未笥诨卷數(shù)淖冃?，直接頂與基本頂之間容易出現(xiàn)離層現(xiàn)象[16]。條帶式Wongawilli采煤中，基本頂?shù)淖冃问Х€(wěn)與滑落失穩(wěn)將對直接頂?shù)姆€(wěn)定性產生影響。條帶式Wongawilli采煤法就是要避免基本頂?shù)氖Х€(wěn)出現(xiàn)，故在研究直接頂破碎情況時，基本頂可以視為穩(wěn)定。此外，相關研究表明[3,14-15],條帶式Wongawilli采煤的不規(guī)則煤柱的中部存在彈性區(qū)，能對頂板起支撐作用。據(jù)此，可建立如圖2所示的條帶及不規(guī)則煤柱的結構模型(垂直于支巷方向剖面)。

圖2 條帶煤柱及不規(guī)則煤柱結構力學模型Fig.2 Mechanical structure model of strip coal pillar and irregular coal pillar

由圖2(a)所示，一般來說直接頂?shù)膹姸鹊陀诨卷敚蓤錾喜扛矌r下移，直接頂?shù)南乱屏看笥诨卷?，造成頂板離層，當采寬小于直接頂極限跨距(bL)時，直接頂垮落。條帶煤柱兩側形成“懸臂梁”結構，不規(guī)則煤柱對其上部離層的直接頂起支撐作用，若其支撐強度大于上覆直接頂?shù)闹亓浚灰?guī)則煤柱不被破壞，該區(qū)域穩(wěn)定，若不規(guī)則煤柱在上覆直接頂?shù)淖饔孟率Х€(wěn)破壞，失去對頂板的支撐能力，上覆巖層僅由條帶煤柱支撐，此時，煤柱的受力與傳統(tǒng)條帶開采相同。

2 條帶式Wongawilli采煤法頂板離層及煤柱受力分析

2.1 條帶式Wongawilli采煤法頂板離層分析

2.1.1直接頂離層分析

煤層開采后，巖石力學應力狀態(tài)發(fā)生改變，直接頂由三維應力變?yōu)槎S應力狀態(tài)，表現(xiàn)為直接頂?shù)目迓洮F(xiàn)象[16-17],根據(jù)直接頂、基本頂?shù)淖畲髶隙裙絒16]，考慮到條帶式Wongawilli開采不規(guī)則煤柱對直接頂支撐強度為p，直接頂與基本頂不發(fā)生離層的條件為

(1)

式中，γh1為基本頂自身單位長度的載荷，Pa;L1為初次垮落步距，m;E1,E2為基本頂、直接頂?shù)膹椥阅Ａ?J1,J2為基本頂、直接頂?shù)臄嗝鎽T性矩載荷;∑h為直接頂?shù)暮穸?，m;p為不規(guī)則煤柱的支護強度，以單位面積支撐力計算;q為加于基本頂?shù)妮d荷，Pa。

(2)

2.1.2直接頂垮落矸石接頂分析

條帶式Wongawilli采煤回采后，直接頂垮落，巖石雜亂堆積，類似于散體，巖石破碎后體積將發(fā)生膨脹，采空區(qū)矸石能否支撐上覆巖層可以通過直接頂厚度及巖石膨脹系數(shù)來確定。

膨脹系數(shù)Kp主要取決于破碎后塊體的大小及排列狀態(tài)。例如，堅硬巖層破碎成大塊碎石且排列整齊，膨脹系數(shù)Kp較小;若破碎后塊度較小且排列雜亂，則Kp較大。那么，相較排列整齊且形成結構的基本頂，直接頂即使是較軟弱巖石，隨著工作面推進，只要直接頂垮落成塊度較小碎石且排列雜亂，則其膨脹系數(shù)Kp也相對較大[16]。

設巖石的膨脹系數(shù)為Kp，直接頂垮落后充滿采空區(qū)所滿足的條件為

(3)

式中,M為煤層厚度(采高)，m。

2.2 條帶式Wongawilli開采煤柱受力及強度分析

2.2.1不規(guī)則煤柱受力及支護強度分析

(1)不規(guī)則煤柱直接頂離層(b

由圖2可知，當采寬小于直接頂極限跨距(b

圖3 單元受力分析Fig.3 Analysis of unit’s force catching

圖中，F(xiàn)1為單元體受到下部巖層的支托力;F2為上部巖層與單元體間的牽引力;F3為單元體與上部巖層間的層面接觸壓力;fF3為單元體沿層面方向的摩擦力，f為直接頂與基本頂之間的摩擦因數(shù);∑RTi為點柱對單元體的支撐力;Q為單元體自身的質量;α為煤層傾角。

當頂板處于滑移錯動的臨界狀態(tài)時，F(xiàn)1=F2=0，這時要求的抵抗隔下滑所必須的阻力R[18-19]為

R=∑hγ(sinα+fcosα)-f∑RTi

(4)

則類單體的數(shù)量n則為

n=P/RTi=[∑hγ(sinα+fcosα)-fnRTi]/RTi

(5)

式中，n為類點支柱的支護密度，根/m;RTi為類單體實際支撐能力，kN/根;γ為直接頂巖層的容重，N/m3。

若直接頂與基本頂發(fā)生離層，即F3=0，也即f=0,式(5)可寫為

n=∑hγsinα/RTi

(6)

(2)不規(guī)則煤柱直接頂離層斷裂(b>L)

當采寬大于直接頂極限跨距(b>L)時，直接頂發(fā)生離層破斷，形成懸臂結構，不規(guī)則煤柱對其上部離層的直接頂起支撐作用，其承受的載荷為直接頂懸臂梁及上覆直接頂重量之和。

圖4 懸臂梁力學分析Fig.4 Mechanical analysis of cantilever beam

結合圖2(b)，采用彈性力學理論，對圖4懸臂巖梁進行力學分析，可得拉伸破壞條件下的直接頂安全跨距(周期破斷距)關系式[17]:

(7)

在條帶式Wongawilli采煤法中，頂板垮落形成的采空區(qū)矸石不對懸臂結構的頂板不產生水平方向作用?？傻孟鄳趇層直接頂?shù)目迓渚嚯xli為

(8)

那么，不規(guī)則煤柱承受的載荷Qb為

(9)

式中，mi為第i層直接頂?shù)暮穸龋琺;γi為直接頂對應巖層的容重，N/m3。

2.2.2條帶煤柱受力及強度分析

A.H.威爾遜兩區(qū)約束理論認為煤柱承受了采空區(qū)及煤柱上方覆巖的自重，在計算煤柱實際承受的荷載，一般采用以下計算公式[5,20]:

(10)

根據(jù)A.H.威爾遜、金(King,1970)及錢鳴高院士煤礦采場圍巖控制理論[16]，結合條帶式Wongawilli采煤法直接頂分層階梯式垮落、基本頂保持完整的實際情況，據(jù)此建立條帶式Wongawilli采煤條帶煤柱載荷模型:

按圖5所示，考慮煤柱兩側的邊緣效應，由三角相似可知

(11)

圖5 采空區(qū)及煤柱分擔荷載Fig.5 Sharing load of gob and coal pillar

因此，條帶式Wongawilli采煤法條帶煤柱:

(12)

式中，a，b為留寬和采寬，m;H為煤層埋藏深度，m;δ為直接頂垮落后，直接頂與頂板垂直方向的夾角，(°);∑l為直接頂?shù)闹芷谄茢鄻O限跨距，m。

3 模擬實驗

3.1 地質采礦條件及模擬范圍

數(shù)值模擬以王臺鋪煤礦XV2318工作面中XV231801工作面及XV231802工作面為原型(圖6)，XV2318工作面平均傾向長度約為270 m，平均走向長度約為100 m，煤層平均埋藏深度約為174 m，傾角平均為2°，平均厚度約為2.5 m，上覆巖層的平均容重為2.5×104N/m3，煤層普氏硬度f為2～4。

圖6 模擬區(qū)域示意Fig.6 Modeling area

開挖過程為:XV231801支巷1,2開挖→XV231802支巷1,2開挖→回采XV231801工作面(先回采支巷1左側采硐①,再回采支巷2右側采硐②)→回采XV231802工作面(先回采支巷1左側采硐③,再回采支巷2右側采硐④)。

3.2 模擬結果分析

由圖7可知，XV231801采硐①回采后，不規(guī)則煤柱局部破壞，其承載能力逐漸降低，部分應力轉移到XV231801采硐②的煤體內，在回采該采硐過程中，由于應力場不斷轉移，可能造成局部煤柱破壞;隨著采場空間跨距逐漸增大，上覆巖層的自重逐漸向兩側條帶煤柱及XV231802煤體內轉移并在其內部產生高應力，回采XV231802采硐①后，不規(guī)則煤柱內應力比XV231801采硐①回采后更高，因此在回采XV231802采硐②時不規(guī)則煤柱破壞的可能性更大。

總體來看，XV231801工作面開挖后，支巷應力集中程度不大，高應力主要集中分布在條帶煤柱及XV231802煤體內，且隨XV231801兩翼開采后，隔離煤柱應力集中程度也逐漸增加，尤其在條帶煤柱及XV231802工作面?zhèn)让褐鶓咏?.5 MPa;隨XV231802工作面開挖，受到上覆采場空間的作用，高應力主要集中在條帶煤柱和隔離煤柱內。

如圖8所示，由XV231801和XV231802采硐來看，不規(guī)則煤柱以混合破壞為主，不規(guī)則煤柱的刀間煤柱既有剪切破壞又有拉伸破壞，破壞程度比較大，結合刀間煤柱的尺寸進行理論分析和現(xiàn)場調查來看，刀間煤柱基本已經失去支撐頂板的作用;而不規(guī)則煤柱中部菱形煤體呈現(xiàn)單一的剪切破壞，根據(jù)不規(guī)則煤柱應力分布特征來看，在菱形煤體上依然存在一定的應力峰值，由此可見不規(guī)則煤柱的菱形煤體上還是存在一定的殘余強度用于支撐頂板壓力。對比圖8(b)與圖8(d)不難發(fā)現(xiàn)，第一個回采條帶結束后，不規(guī)則煤柱中間出現(xiàn)“類單體”結構支撐頂板，也即表現(xiàn)為如圖2相似模擬圖中煤柱破壞形態(tài)。但是，隨著第2個開采條帶的回采，第1個條帶的不規(guī)則煤柱破壞范圍加大，直至完全破壞。

此外，對照數(shù)值模擬基本頂、直接頂塑性區(qū)可以發(fā)現(xiàn)，基本頂基本不存在塑性區(qū)，而直接頂存在大范圍的塑性區(qū)，且在回采過程中發(fā)育擴展，這也說明了條帶式Wongawilli采煤過程中直接頂離層，而基本頂保持相對穩(wěn)定。結合條帶式Wongawilli采煤工作面的布置可知，開采初期，不規(guī)則煤柱有效維護直接頂?shù)姆€(wěn)定，隨著開采的進行，基本頂對條帶煤柱的壓縮量增加，進而表現(xiàn)為基本頂施壓不規(guī)則煤柱，但是一旦基本頂來壓，不規(guī)則煤柱形成的類單體也將發(fā)生破壞(圖8(d))，這與理論分析及相似模擬結果表現(xiàn)一致。

圖7 工作面回采各階段垂直應力分布Fig.7 Vertical stress distribution after coal face formation

圖8 工作面各回采階段塑形區(qū)域分布Fig.8 Plastic area variation of coal seam during coal face with normal advancing

4 工程分析

根據(jù)王臺鋪煤礦XV2318工作面資料，煤層頂板依次為泥巖、石灰?guī)r、細粒砂巖，底板為較厚的砂質泥巖和中砂巖等巖層。直接頂為泥巖，其普氏硬度f為2～3，其碎脹系數(shù)Kp=1.6，M=2.5 m;∑h=2.15 m;采用式(2)，(3)，(6)以及(9)對條帶式Wongawilli采煤法中的不規(guī)則煤柱的支護強度(p)，采空區(qū)充填程度采用等進行計算分析可得:XV2318工作面采用條帶式Wongawilli采煤法回采后直接頂與基本頂發(fā)生離層垮落，垮落后的直接頂不能充滿采空區(qū)(M>Δ)，但不規(guī)則煤柱形成的類單體能對直接頂起到支撐維護作用，條帶煤柱是條帶式Wongawilli開采煤柱系統(tǒng)的關鍵，如文獻[2]所述，其核區(qū)率大于17%，在彈塑性區(qū)寬度比不小于0.21的情況下，條帶煤柱穩(wěn)定可靠，且不規(guī)則小煤柱破壞失穩(wěn)會引起條帶煤柱的壓縮量突然增加，誘發(fā)條帶煤柱失穩(wěn)。

綜上，通過結合具體的工程地質條件，采用數(shù)值模擬及理論分析可知，條帶式Wongawilli采煤法形成的煤柱系統(tǒng)中，不規(guī)則煤柱以類單體的形式對直接頂起支撐作用，其穩(wěn)定性主要決定于上覆直接頂?shù)南嚓P參數(shù)(厚度、巖性、密度等);條帶煤柱時整個煤柱系統(tǒng)支撐的關鍵，同時，其穩(wěn)定性受不規(guī)則煤柱的影響。

5 結 論

(1)條帶式Wongawilli開采煤柱主要以劈裂和剪切破壞為主，刀間煤柱起臨時支護的作用，隨采隨垮，不規(guī)則煤柱對直接頂起支撐作用，條帶煤柱是整個煤柱系統(tǒng)的關鍵。

(2)條帶式Wongawilli開采直接頂與基本頂發(fā)生離層，不規(guī)則煤柱以“類單體”形式對直接頂進行支護，直接頂彎曲下沉形成“固支梁”或垮落形成“懸臂梁”兩種結構并作用于不規(guī)則煤柱;條帶煤柱與傳統(tǒng)條帶開采煤柱類似支撐直接頂及基本頂。

(3)條帶式Wongawilli開采不規(guī)則煤柱與條帶煤柱相互影響，不規(guī)則煤柱的失穩(wěn)破壞，導致條帶煤柱壓縮量的突增，影響其穩(wěn)定性,進而影響整個條帶式Wongawilli開采煤柱系統(tǒng)的穩(wěn)定。