王家?guī)X礦綜放沿空掘巷合理煤柱寬度與控制技術(shù)研究

曹文濤，閆亞鵬，楊增強(qiáng)

(1.運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院礦山工程系，山西 運(yùn)城 044000； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

國內(nèi)礦井長期以來一直沿用在采空區(qū)邊緣留設(shè)一定寬度護(hù)巷煤柱的方法來進(jìn)行接續(xù)工作面的開采，其煤柱留設(shè)寬度一般為15～35 m，造成了煤炭資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[1-3]。對于區(qū)段煤柱造成的煤炭資源浪費(fèi)問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，神華集團(tuán)有限公司、中國中煤能源集團(tuán)有限公司等大型煤企也紛紛進(jìn)行大量現(xiàn)場實(shí)踐工作，提出了留設(shè)小煤柱來提高煤柱資源回收率的解決方法[4-6]。

綜放工作面留設(shè)小煤柱對于提高煤炭資源回采率的效果更為顯著，但由于煤體本身強(qiáng)度較低，加上本工作面及鄰近工作面的采動(dòng)影響，容易誘發(fā)覆巖劇烈運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而造成巷道采掘過程中冒頂和幫部垮塌事故的發(fā)生[7-8]。目前關(guān)于受綜放強(qiáng)采動(dòng)影響大斷面巷道圍巖穩(wěn)定性原理及其控制技術(shù)的研究尚不成熟，需要針對具體地質(zhì)情況進(jìn)行進(jìn)一步的探究，以實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效開采。

1 工程背景

1.1 工作面概況

位于山西省鄉(xiāng)寧縣和河津市境內(nèi)的王家?guī)X煤礦是一座現(xiàn)代化高效礦井，其主采2#煤層平均厚度6.5 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤方式開采。井田北翼二采區(qū)內(nèi)工作面布置形式如圖1所示。二采區(qū)內(nèi)N2102工作面鄰近N2101采空區(qū)回采，工作面傾向?qū)?60 m，走向長1 400 m，且N2102回風(fēng)平巷沿空側(cè)護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度為17 m。

1.2 回風(fēng)平巷變形破壞特征

由于礦井產(chǎn)能較大，為了滿足生產(chǎn)配套所需的大型設(shè)備運(yùn)送，工作面兩側(cè)的回采巷道尺寸為：寬×高=5.0 m×3.8 m，屬于大斷面巷道，其支護(hù)方式采用錨網(wǎng)索對稱支護(hù)。受N2102工作面劇烈采動(dòng)擾動(dòng)影響，N2102回風(fēng)平巷圍巖破壞嚴(yán)重，靠近煤柱幫肩窩位置處的頂板出現(xiàn)劇烈沉降變形、局部破碎等情況，煤柱幫擠壓變形向巷道內(nèi)鼓突出顯著，甚至局部地段頂板因擠壓離層而出現(xiàn)嚴(yán)重冒頂事故。

基于現(xiàn)有支護(hù)方式的基礎(chǔ)上，巷道圍巖變形主要集中于煤柱幫和頂板內(nèi)，這說明現(xiàn)有煤柱寬度和支護(hù)方式不能有效控巷道圍巖穩(wěn)定性，且所留設(shè)的17 m寬煤柱將會(huì)導(dǎo)致煤炭資源的嚴(yán)重?fù)p失。因此，有必要針對合理的煤柱寬度和支護(hù)方式進(jìn)行研究，進(jìn)而更加合理有效地控制巷道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1 北翼二采區(qū)內(nèi)工作面平面布置圖Fig.1 Layout of face in the second mining area of the North Wing

2 基本頂側(cè)向破斷機(jī)理分析

2.1 基本頂側(cè)向破斷結(jié)構(gòu)形式

沿空側(cè)巷道上覆巖層中基本頂根據(jù)斷裂線與巷道位置的相互關(guān)系可分為4種破壞類型[9-10]，如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)基本頂斷裂線位置在煤柱體上方或者巷道上方時(shí)(圖2(a)和圖2(b))，受關(guān)鍵塊B回轉(zhuǎn)失穩(wěn)擠壓作用，容易造成煤柱體承載較高的應(yīng)力載荷而發(fā)生擠壓變形向巷道內(nèi)鼓起，且頂板也受到關(guān)鍵塊B的水平擠壓力作用而容易出現(xiàn)離層破壞和顯著下沉變形等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生頂板冒頂事故。而當(dāng)基本頂斷裂線位置在實(shí)體煤上方或者采空區(qū)上方時(shí)(圖2(c)和圖2(d))，頂板中關(guān)鍵塊B產(chǎn)生的作用力主要由實(shí)體煤或者采空區(qū)矸石承載，此時(shí)關(guān)鍵塊B穩(wěn)定性較好，因此沿空側(cè)巷道圍巖能夠保持較好的穩(wěn)定性。

2.2 基本頂斷裂線位置現(xiàn)場監(jiān)測

采用礦用YSZ(B)型鉆孔窺視儀在N2102回風(fēng)平巷內(nèi)某一典型破壞位置處進(jìn)行現(xiàn)場勘測，鉆孔窺視結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在煤柱寬度為17 m 的情況下，基本頂斷裂線位置距離N2101采空區(qū)邊緣10.2～11.5 m，與煤柱幫距離為5.5～6.8 m?？梢?，基本頂斷裂線位置靠近煤柱幫，這也是造成現(xiàn)場回風(fēng)平巷圍巖出現(xiàn)非對稱性破壞的原因所在。

圖2 沿空巷道上覆基本頂破斷結(jié)構(gòu)類型Fig.2 Basic roof breaking structure type along the empty roadway

圖3 鉆孔窺視基本頂側(cè)向斷裂位置Fig.3 Drilling peeping basic roof lateral fracture position

2.3 基本頂側(cè)向破斷力學(xué)計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔窺視監(jiān)測結(jié)果，建立N2102回風(fēng)平巷基本頂破斷后的力學(xué)模型，如圖4所示?；卷斊茢嗪螅P(guān)鍵塊B回轉(zhuǎn)下沉，穩(wěn)定后巖塊的一端將由N2101采空區(qū)矸石支撐，另外一端則由煤柱體作為承載點(diǎn)。關(guān)鍵塊B回轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生的對煤柱體的擠壓力與采空區(qū)側(cè)向殘余支承應(yīng)力疊加，致使煤柱側(cè)圍巖產(chǎn)生顯著的變形破壞，且關(guān)鍵塊B回轉(zhuǎn)下沉過程中還存在強(qiáng)烈的水平擠壓運(yùn)動(dòng)，這將會(huì)造成巷道頂板的破壞。

根據(jù)圖4所示基本頂受力情況，可以建立基本頂超靜定梁體力學(xué)模型，如圖5所示。

圖4 基本頂側(cè)向破斷力學(xué)模型Fig.4 Mechanics model for basic lateral fracture

圖5 基本頂超靜定梁體力學(xué)模型Fig.5 Mechanics model for basic roof staticallydeterminate beam

根據(jù)砌體梁理論，可以推導(dǎo)出關(guān)鍵塊B對超靜定梁體的水平擠壓力T計(jì)算見式(1)。

(1)

式中：q′為關(guān)鍵塊B承受的載荷大小，MPa；L為關(guān)鍵塊B的長度，m；θ為關(guān)鍵塊B的回轉(zhuǎn)角度，(°)；h1為基本頂厚度，m。

關(guān)鍵塊B對超靜定梁體的垂直作用力F表述見式(2)。

(2)

式中，μ為摩擦系數(shù)。

根據(jù)圖5所示基本頂超靜定梁體力學(xué)模型，可以列出x、z方向力學(xué)平衡方程見式(3)。

(3)

式中，p1為直接頂對超靜定梁體的作用力，MPa。

另外，對坐標(biāo)原點(diǎn)O取矩可以得到彎矩平衡方程見式(4)。

Fx1-M1=0

(4)

式中，q為鄰近采空區(qū)殘余側(cè)向支承應(yīng)力，MPa。

同時(shí)，根據(jù)彈性力學(xué)理論知識可知，超靜定梁體力在斷裂線位置的撓度方程見式(5)。

(5)

式中：ωq為超靜定梁體力在q作用下的撓度，m；ωp1為超靜定梁體力在p1作用下的撓度，m；ωF為超靜定梁體力在F作用下的撓度，m；E為基本頂?shù)膹椥阅Ａ?，MPa；I為慣性矩，N·m。

根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，可知超靜定梁體力在斷裂線位置的撓度滿足方程見式(6)。

ωmz=ωq+ωp1+ωF=εd

(6)

式中：ε為煤柱體的應(yīng)變；d為煤柱體高度，m。

聯(lián)立式(1)～(6)可以推導(dǎo)出基本頂和直接頂之間的相互作用合力P計(jì)算見式(7)。

(7)

2.4 直接頂力學(xué)計(jì)算

對于基本頂下方的直接頂(包括頂煤)，可以視為簡支梁，其一端由實(shí)體煤支撐，另一端由煤柱體支撐。根據(jù)圖4所示力學(xué)模型可以建立直接頂簡支梁受力力學(xué)模型，如圖6所示。

為了便于計(jì)算，可以簡化直接頂與超靜定梁體之間相互作用力p1近似等于鄰近采空區(qū)殘余側(cè)向支承應(yīng)力q,并由相關(guān)文獻(xiàn)得出式(8)。

圖6 直接頂簡支梁力學(xué)模型Fig.6 Mechanics model for immediate roof simply supported beam

(8)

當(dāng)煤體一側(cè)未開采、另外一側(cè)無限開采時(shí)，可認(rèn)為距離采空區(qū)邊緣0.3H遠(yuǎn)處矸石承載值大小為γH,基本頂破斷位置載荷為0 MPa，且其呈線性遞減分布規(guī)律[11]。據(jù)此可以求出煤柱體承載載荷p2,計(jì)算見式(9)。

(9)

式中：a為煤柱體寬度，m；β為剪切角，(°)；γ為覆巖平均容重，kN/m3；H為煤層埋深，m；S為綜放工作面寬度，m。

根據(jù)圖6所示直接頂簡支梁力學(xué)模型，可以列出x、z方向力學(xué)平衡方程見式(10)。

(10)

式中：K為簡支梁單位壓縮量所需的力，kN/m；x0為斷裂線位置距采空區(qū)邊緣距離，m；R為實(shí)體煤幫對直接頂簡支梁的支撐力，kN；N為基本頂對簡支梁的水平作用力，kN；N2為彈性基礎(chǔ)對簡支梁的水平作用力，kN。

另外，對坐標(biāo)原點(diǎn)O取矩可以得到彎矩平衡方程見式(11)。

(11)

式中：b為巷道寬度，m；M1為水平力N所產(chǎn)生的偏心力偶矩，kN·m。

聯(lián)立式(8)～(11)可以推導(dǎo)出實(shí)體煤幫對直接頂簡支梁的支撐力R作用點(diǎn)坐標(biāo)表達(dá)式見式(12)。

(12)

由于N2102回風(fēng)平巷頂板位于[c,b+c]之間，可以得到直接頂簡支梁彎矩方程表達(dá)式見式(13)。

(13)

聯(lián)立式(10)～(12)可以推導(dǎo)出N2102回風(fēng)平巷頂板在[c,b+c]之間的彎矩方程見式(14)。

M(x)=

(14)

3 合理煤柱寬度數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值軟件[12-13]建立三維模型，所建模型尺寸為270 m×90.4 m×100 m，如圖7所示。考慮到所建立的模型上表面距地表平均距離為220 m，并結(jié)合覆巖平均容重為25 kN/m3這一因素，應(yīng)在模型上表面施加等效重力載荷5.5 MPa，模型四周采用水平位移約束，模型下表面采用垂直位移約束，N2102回風(fēng)平巷內(nèi)嵌入錨桿索結(jié)構(gòu)單元，關(guān)于錨桿索結(jié)構(gòu)單元模擬時(shí)的力學(xué)和幾何參數(shù)見表1。

表1 錨桿索結(jié)構(gòu)單元力學(xué)和幾何參數(shù)Table 1 Mechanical and geometric parameters of anchor cable structural elements

3.2 模擬結(jié)果

圖8所示為N2102回風(fēng)平巷護(hù)巷煤柱寬度為5 m、8 m、11 m、17 m和20 m時(shí)巷圍巖中應(yīng)力以及屈服區(qū)分布規(guī)律。

圖7 三維數(shù)值模擬模型Fig.7 Model of Three-dimensional numerical simulation

圖8 不同煤柱寬度巷道圍巖應(yīng)力與屈服區(qū)分布Fig.8 Surrounding rock stress and yield zone distribution of different coal pillar width roadways

由圖8可知，當(dāng)煤柱寬度僅為5 m時(shí)，煤柱內(nèi)峰值應(yīng)力較小為5.99 MPa，小于原巖應(yīng)力值6.625 MPa，而實(shí)體煤內(nèi)峰值應(yīng)力高達(dá)23.38 MPa，煤柱體處于完全塑性屈服狀態(tài)而失去承載能力；當(dāng)煤柱寬度為8 m和11 m時(shí)，煤柱內(nèi)的峰值應(yīng)力分別為11.73 MPa和19.44 MPa，大于原巖應(yīng)力值，說明此時(shí)煤柱體沒有完全發(fā)生屈服而失去承載能力；當(dāng)煤柱寬度增大至17 m時(shí)，煤柱體內(nèi)峰值應(yīng)力急劇增大至26.81 MPa，說明此時(shí)煤柱體承載較高的應(yīng)力值，這也從側(cè)面驗(yàn)證了此時(shí)頂板中基本頂破斷位置因處于煤柱體上方而導(dǎo)致煤柱體承受較高的靜載荷；當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步增大至20 m時(shí)，煤柱體內(nèi)應(yīng)力峰值由單峰值轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰值形態(tài)，并且在煤柱體中間部分出現(xiàn)了寬度約6 m的彈性核，這表明較大的煤柱寬度同樣能夠起到保護(hù)沿空側(cè)巷道圍巖穩(wěn)定性的作用。

綜上可知，N2102回風(fēng)平巷護(hù)巷煤柱隨著煤柱寬度的增加而承載峰值應(yīng)力遞增，在煤柱寬度為17 m左右時(shí)承載峰值應(yīng)力最大，之后隨著煤柱寬度的進(jìn)一步增大，煤柱內(nèi)承載曲線由單峰值轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰值形態(tài)?；谔岣呙禾抠Y源采出率以及維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，最終確定留設(shè)8 m寬的煤柱進(jìn)行沿空掘巷。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 N2103回風(fēng)平巷頂板彎矩計(jì)算

選取與N2102工作面地質(zhì)條件相近且相鄰的N2103工作面作為現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件可知，N2103工作面煤層埋深H=265 m，綜放工作面寬S=250 m，關(guān)鍵塊B的長度L=19 m，頂煤剛度K=70 MPa，關(guān)鍵塊B斷裂線位置距離煤柱幫距離x0=6.15 m，關(guān)鍵塊B回轉(zhuǎn)下沉角θ=16°，頂煤和直接頂厚度h2=5.2 m，剪切角β=20°，煤柱寬度a=8.0 m，巷道寬度b=5.0 m，實(shí)體煤幫塑性區(qū)深度c=6.0 m，代入式(14)可以計(jì)算得到直接頂簡支梁在N2103頂板區(qū)域內(nèi)的彎矩，方程表達(dá)式見式(15)。

(15)

根據(jù)式(15)利用數(shù)學(xué)軟件解算出N2103回風(fēng)平巷直接頂簡支梁在[6,11]區(qū)間內(nèi)的彎矩圖，如圖9所示。由圖9可知，巷道頂板中心線位于x=8.5 m位置處，而頂板彎矩最大位置偏離中心線1 m，靠近護(hù)巷窄煤柱幫，整體上呈現(xiàn)出非對稱的拋物線分布形式。

圖9 N2103回風(fēng)平巷直接頂簡支梁彎矩圖Fig.9 Immediate roof simple beam bending momentdiagram in return air straight road of N2103

4.2 巷道圍巖非對稱支護(hù)

根據(jù)上述研究可知，后續(xù)N2103工作面回風(fēng)平巷護(hù)巷煤柱體寬度取值8 m時(shí)圍巖受力環(huán)境較好，且較小的煤柱寬度能夠大幅度提高煤炭資源的回采率。同時(shí)結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果可知，此時(shí)頂板最大彎矩偏向煤柱側(cè)1 m左右，因此現(xiàn)場支護(hù)在原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，對于煤柱幫補(bǔ)打Φ17.8 mm×L6 300 mm的鋼絞線錨索，間排距為1 700 mm×2 000 mm。頂板錨索改用Φ17.8 mm×L8 300 mm的鋼絞線錨索并增加至3根，且中部錨索布置位置偏離巷道中心線而靠近煤柱側(cè)，中部錨索和靠近煤柱側(cè)的錨索采用16#槽鋼連接。具體非對稱支護(hù)方式[14-15]如圖10所示。

圖10 N2103回風(fēng)平巷非對稱支護(hù)斷面圖Fig.10 N2102 return air and flat road deformationand damage

4.3 N2103回風(fēng)平巷礦壓觀測

為了驗(yàn)證新的支護(hù)方式和煤柱寬度對巷道圍巖的控制效果，對N2103回風(fēng)平巷掘進(jìn)和回采期間礦壓進(jìn)行了觀測。結(jié)果表明頂板、煤柱幫和實(shí)體煤幫位移量在巷道掘出30 d后分別為123 mm、77 mm和54 mm，在N2103工作面回采期間分別為216 mm、198mm和121 mm，兩幫和頂板整體控制效果較好。現(xiàn)場采用圖10所示非對稱支護(hù)方式后，巷道圍巖控制效果如圖11所示。

圖11 N2103回風(fēng)平巷現(xiàn)場支護(hù)效果圖Fig.11 Support effect diagram in return airway roadof N2103

5 結(jié) 論

1) 鉆孔窺視結(jié)果表明基本頂側(cè)向斷裂線位于煤柱體上方，受基本頂關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生的垂直擠壓力與水平推力作用，容易造成沿空側(cè)巷道圍巖的非對稱性破壞。

2) 不同寬度煤柱數(shù)值模擬結(jié)果表明，5 m寬煤柱處于完全塑性屈服狀態(tài)，隨著煤柱寬度的增大，煤柱承載能力逐步增強(qiáng)，20 m寬煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值由單峰值轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰值形態(tài)。選擇8 m寬煤柱時(shí)巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境較好，煤炭資源回采率高。

3) 對基本頂和直接頂分別建立超靜定梁體力學(xué)模型和簡支梁力學(xué)模型，推導(dǎo)出了沿空側(cè)巷道頂板內(nèi)的彎矩方程，并基于N2103回風(fēng)平巷提出了非對稱支護(hù)控制技術(shù)，現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果表明圍巖控制效果良好。