綜放工作面煤柱周圍應(yīng)力分布特征研究

劉明， 曹民遠(yuǎn)， 李波

(神華新疆能源有限責(zé)任公司 屯寶煤礦， 新疆 昌吉 831114)

0 引言

隨著煤礦開采深度的增加，在深部高地應(yīng)力、復(fù)雜構(gòu)造條件等因素作用下，巷道變形越發(fā)嚴(yán)重，誘發(fā)煤巖動(dòng)力災(zāi)害，威脅煤炭安全回采[1-4]。留設(shè)煤柱是煤礦傳統(tǒng)的護(hù)巷方法之一，合理寬度的留設(shè)煤柱能與支護(hù)結(jié)構(gòu)體及巷道圍巖形成具有一定承載能力的支護(hù)整體，特別是對(duì)高瓦斯及斷層賦存的綜放工作面來說，不僅可以起到支撐上覆巖層壓力的作用，還能隔絕采空區(qū)瓦斯，減少瓦斯擴(kuò)散[5]，對(duì)于保障工作面安全具有重要意義。

一些學(xué)者開展了煤柱留設(shè)寬度的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用[6-8]，通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬、工程經(jīng)驗(yàn)等方法確定煤柱合理留設(shè)寬度[9-11]，但對(duì)不同煤柱留設(shè)寬度條件下圍巖應(yīng)力分布特征缺乏深入研究。同時(shí)不同礦井影響煤柱寬度的因素各異，造成煤柱留設(shè)寬度的計(jì)算依據(jù)難以準(zhǔn)確確定。

神華新疆能源有限責(zé)任公司屯寶煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，回采工作面走向范圍內(nèi)斷層分布較多，受采動(dòng)影響，小煤柱導(dǎo)致綜放工作面巷道變形嚴(yán)重、采空區(qū)瓦斯氣體管控難。針對(duì)上述問題，本文以綜放工作面M9-10煤層為工程背景，通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬方式對(duì)M9-10煤層不同寬度的煤柱周圍應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究，并對(duì)其承壓作用及瓦斯隔離效果進(jìn)行工程驗(yàn)證。

1 工程背景

屯寶煤礦位于昌吉市硫磺溝鎮(zhèn)，井田含煤地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組，可采煤層(組)由上而下共有4組，依次為M4-5，M7，M9-10，M14-15煤層。M9-10煤層含有M9，M102個(gè)分層，組合煤層平均厚度為9.3 m，中間夾矸3層，夾矸平均厚度為0.88 m，煤層傾角為15～18°，屬于緩傾斜特厚煤層。M9-10煤層頂板為灰褐色粉砂巖，飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度為0.04～20.16 MPa，平均為6.99 MPa，為極不穩(wěn)定頂板；底板為灰黑色粉砂巖或泥巖，飽和狀態(tài)下單向抗壓強(qiáng)度為1.29～31.30 MPa，平均為15.06 MPa，為不穩(wěn)定底板。受地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力與采掘活動(dòng)等因素的影響，巷道變形量較大，瓦斯賦存量大。經(jīng)測(cè)定，礦井相對(duì)瓦斯涌出量為3.8 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為15.83 m3/min，采煤工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為11.84 m3/min，屬于高瓦斯礦井。

在M9-10煤層共布置1191，1192，1193三個(gè)綜放工作面，采用長(zhǎng)壁走向綜采放頂煤采煤方法，一水平工作面采用上行開采。首采工作面為1191綜放工作面。3個(gè)綜放工作面分別由13，40 m留設(shè)區(qū)段煤柱隔開，如圖1所示。1191，1192，1193綜放工作面傾斜長(zhǎng)度分別為147，196，132 m，回采走向長(zhǎng)度分別為1 100，1 180，1 250 m，平均仰角為18°。

圖1 M9-10煤層回采工作面布置Fig.1 Layout of working face of M9-10 coal seam

2 煤柱留設(shè)寬度理論計(jì)算

2.1 煤柱寬度理論公式

M9-10煤層綜放工作面煤柱一側(cè)為采空區(qū)，一側(cè)為工作面巷道，采空區(qū)與工作面巷道在煤柱兩側(cè)形成各自的彈性區(qū)。區(qū)段煤柱保持巷道穩(wěn)定的基本條件：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生彈性變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核，彈性核寬度不小于煤柱高度的2倍[12-14]?？紤]瓦斯的影響，煤柱寬度的最小值為

Bmin=x0+2h+x1

(1)

式中：x0為采空區(qū)側(cè)彈性區(qū)寬度，m；h為采煤高度,m；x1為巷道側(cè)彈性區(qū)寬度,m。

以Mohr-Coulomb為屈服準(zhǔn)則得到采空區(qū)側(cè)和巷道側(cè)彈性區(qū)寬度公式：

(2)

(3)

式中：ε為三軸應(yīng)力系數(shù)，ε=(1+sinφ)/(1-sinφ)，φ為內(nèi)摩擦角，(°)；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)，f=tan (φ/4)；σ0為水平主應(yīng)力，MPa；K1為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為覆巖容重，γ=ρg，ρ為覆巖密度,kg/m3，g為重力加速度,m/s2；H為埋深,m；Pb為矸石約束力,MPa；β為彈性區(qū)寬度修正系數(shù)，取值參考表1；r1為巷道的截面半徑,m；P為巷道支護(hù)力,MPa。

表1 矩形巷道彈性區(qū)寬度修正系數(shù)Table 1 Correction coefficient of plastic zone width of rectangular roadway

2.2 M9-10煤層煤柱寬度計(jì)算

1192綜放工作面地表標(biāo)高為+1 274～+1 338 m，開采提高為+903 m～+968 m，埋深為306～435 m，平均埋深為370 m；1193綜放工作面地表標(biāo)高為+1 275～+1 358 m，開采標(biāo)高為+981～+1 029 m，埋深為266～377 m，平均埋深為322 m。

M9-10煤層圍巖試樣物理性質(zhì)實(shí)測(cè)結(jié)果見表2。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，取M9-10煤層的內(nèi)摩擦角φ=36.5°，水平主應(yīng)力σ0=3.92 MPa，經(jīng)計(jì)算得三軸應(yīng)力系數(shù)ε=3.936，摩擦因數(shù)f=0.25。1192綜放工作面下巷和1193綜放工作面上巷均為矩形巷道，巷道寬度B0=4.7 m，巷道高度h0=3.7 m，對(duì)應(yīng)的巷道截面半徑r1=2.35 m，由表1可知其彈性區(qū)寬度修正系數(shù)β=1.4。應(yīng)力集中系數(shù)K1一般取2～4，由于綜放工作面壓力較大，取K1=4。采煤高度h=9.3 m。矸石約束力一般忽略不計(jì)，即Pb=0。巷道支護(hù)力P=0.3 MPa，覆巖密度ρ=2 000 kg/m3。將各參數(shù)帶入式(2)和式(3)，計(jì)算得1192綜放工作面采空區(qū)側(cè)和巷道側(cè)彈性區(qū)寬度分別為3.572，4.337 m，1193綜放工作面采空區(qū)側(cè)和巷道側(cè)彈性區(qū)寬度分別為3.009，3.068 m。

表2 M9-10煤層圍巖試樣物理性質(zhì)實(shí)測(cè)結(jié)果Table 2 Measured results of physical properties of surrounding rock samples of M9-10 coal seam

通過式(1)計(jì)算得1192，1193綜放工作面煤柱理論寬度的最小值分別為26.509，24.667 m。

3 煤柱周圍應(yīng)力分布特征數(shù)值模擬

開采實(shí)踐中，1192綜放工作面煤柱寬度留設(shè)13 m時(shí)工作面下巷變形嚴(yán)重，1193綜放工作面煤柱寬度留設(shè)40 m時(shí)巷道較為穩(wěn)定。1192，1193綜放工作面煤柱理論寬度的最小值分別為26.509，24.667 m，在25 m左右，為計(jì)算方便，將煤柱寬度方案設(shè)為13，20，25，30，35，40 m共6種。以1193綜放工作面地質(zhì)及開采設(shè)計(jì)為原型構(gòu)建FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，研究采動(dòng)應(yīng)力與斷層構(gòu)造應(yīng)力耦合作用下不同煤柱寬度圍巖應(yīng)力變化規(guī)律。M9-10煤層圍巖在不同剪切角度下抗剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表3，工作面區(qū)段煤柱模型如圖2所示。

3.1 煤柱周圍水平應(yīng)力分布特征

M9-10煤層不同寬度煤柱周圍水平應(yīng)力分布特征如圖3所示。在煤柱寬度為13 m時(shí)，水平應(yīng)力在煤柱的巷道側(cè)和采空區(qū)出現(xiàn)了連通，這表明煤柱寬度過小，在覆巖應(yīng)力作用下達(dá)到承載極限時(shí)會(huì)出現(xiàn)屈服、坍塌。隨著煤柱寬度加大，煤柱內(nèi)的水平應(yīng)力

表3 M9-10煤層圍巖在不同剪切角度下抗剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 3 Shear strength test results of surrounding rock of M9-10 coal seam at different shear angles

圖2 工作面區(qū)段煤柱模型Fig.2 Coal pillar model of working face section

主要趨向于采空區(qū)側(cè)，表明加大煤柱寬度可以轉(zhuǎn)移水平應(yīng)力對(duì)巷道的影響，從而提高巷道穩(wěn)定性。

(a) 13 m煤柱

(b) 20 m煤柱

(c) 25 m煤柱

(d) 30 m煤柱

(e) 35 m煤柱

(f) 40 m煤柱

3.2 煤柱周圍垂直應(yīng)力分布特征

采動(dòng)應(yīng)力與斷層構(gòu)造應(yīng)力耦合作用下不同寬度煤柱周圍垂直應(yīng)力分布特征如圖4所示?？梢钥闯龃怪睉?yīng)力表現(xiàn)出雙波峰特征，隨著煤柱寬度加大，巷道側(cè)和采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力峰值均出現(xiàn)了下降。煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值與應(yīng)力集中系數(shù)見表4，可以看出加大煤柱寬度可以降低應(yīng)力集中系數(shù)，從而降低綜放工作面動(dòng)壓影響范圍與程度，提高巷道穩(wěn)定性。

圖4 不同寬度煤柱周圍垂直應(yīng)力分布特征Fig.4 Distribution characteristics of vertical stress around coal pillars with different widths

表4 煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值與應(yīng)力集中系數(shù)Table 4 Stress peak and stress concentration coefficient in coal pillar

由圖4還可看出，巷道側(cè)應(yīng)力峰值基本在2.5 m位置處，此后隨著距巷道距離增加，煤柱周圍垂直應(yīng)力先急速減小，然后呈緩慢增加趨勢(shì)，采空區(qū)側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力峰值，然后呈緩慢減小趨勢(shì)；13 m煤柱由于其寬度過小，應(yīng)力變化劇烈，20，25，30，35，40 m煤柱內(nèi)的應(yīng)力變化趨勢(shì)較為平緩?？紤]到煤柱理論寬度最小為24.667 m，故認(rèn)為煤柱的合理寬度為30～40 m。

4 煤柱周圍應(yīng)力與瓦斯涌出工程監(jiān)測(cè)

為充分驗(yàn)證40 m煤柱寬度的合理性，在1193綜放工作面開展了鉆孔應(yīng)力及瓦斯監(jiān)測(cè)。在工作面下巷煤壁側(cè)及煤柱側(cè)安裝鉆孔應(yīng)力計(jì)，應(yīng)力計(jì)位置超前工作面50 m，埋設(shè)深度均為3 m，鉆孔施工高度為1.5 m。鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Monitoring results of borehole stress

由圖5可知，受工作面回采影響，工作面前方產(chǎn)生采動(dòng)應(yīng)力集中。煤壁側(cè)應(yīng)力集中在1～2 MPa，且波動(dòng)較小，在10～20 m區(qū)域有一定的應(yīng)力集中，但集中程度并不大；煤柱側(cè)應(yīng)力集中在0～3.2 MPa，且在30～40 m區(qū)域應(yīng)力集中程度較大。在距工作面0～30 m區(qū)域內(nèi)，煤壁側(cè)應(yīng)力和煤柱側(cè)應(yīng)力變化均較小；在33～46 m區(qū)域內(nèi)，煤柱承受的應(yīng)力大于煤壁承受應(yīng)力。由表4可以看出，相對(duì)于13 m煤柱寬度，煤柱寬度為40 m時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)從5.04降至1.89，能夠顯著降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，40 m煤柱寬度能夠滿足應(yīng)力需求。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，工作面回采過程中，回風(fēng)流平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.25%，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)長(zhǎng)期維持在0.3%左右。1193綜放工作面瓦斯監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。可以看出，回采期間工作面瓦斯涌出最大值為18.26 m3/min，平均值為14 m3/min；風(fēng)排瓦斯量最大值為5.2 m3/min，超過5 m3/min僅有1次，平均風(fēng)排瓦斯量為3.5 m3/min;高位鉆孔抽采量最大值為14.46 m3/min，平均值為10 m3/min，滿足生產(chǎn)要求，且在工作面過斷層期間煤柱側(cè)瓦斯監(jiān)測(cè)未現(xiàn)異常。這表明，煤柱寬度為40 m時(shí)，滿足瓦斯實(shí)際擴(kuò)散需求。

圖6 工作面瓦斯監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 Gas monitoring results in working face

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力和瓦斯監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，40 m預(yù)設(shè)煤柱能夠滿足礦井要求。需要指出的是，小煤柱應(yīng)力集中明顯，而大煤柱的煤損較大，無煤柱沿空掘巷工藝是未來應(yīng)用方向。

5 結(jié)論

(1) 基于煤柱周圍彈性區(qū)分布特征，分別對(duì)M9-10煤層的2個(gè)綜放工作面煤柱寬度進(jìn)行了理論計(jì)算與數(shù)值模擬，確定了屯寶煤礦M9-10煤層煤柱的合理寬度范圍為30～40 m。

(2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明：煤柱內(nèi)的水平應(yīng)力隨著煤柱寬度加大趨向于采空區(qū)側(cè)，加大煤柱寬度可以轉(zhuǎn)移水平應(yīng)力對(duì)巷道的影響，從而提高巷道的穩(wěn)定性；煤柱側(cè)垂直應(yīng)力具有雙波峰特征，巷道側(cè)和采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力峰值與應(yīng)力集中系數(shù)均隨著煤柱寬度的加大而降低；巷道側(cè)應(yīng)力峰值在距巷道2.5 m處，隨著距巷道距離增加，垂直應(yīng)力先急速減小，然后緩慢增加，采空區(qū)側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力峰值后呈緩慢減小趨勢(shì)。

(3) 1193綜放工作面圍巖鉆孔應(yīng)力與瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，合理的煤柱留設(shè)寬度能夠滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度和瓦斯實(shí)際擴(kuò)散需求。

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