膠結充填采場頂板承載特性及煤柱穩(wěn)定性分析

徐斌李永亮路彬李進

1. 中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;

2. 中國礦業(yè)大學(北京)能源與礦業(yè)學院,北京 100083

固廢資源堆積、地表沉陷等問題是制約煤炭資源開發(fā)的重要阻礙[1-5],國內提倡綠色礦山建設,使得充填采煤成為解決上述問題、提高采煤率的重要措施[6-8]。充填采煤的最終目的是減小上覆巖層移動變形,降低地表沉陷。而在不同充填采煤階段,采場頂板的支撐結構產生變化,其頂板承載機制依次經歷煤柱支撐、煤柱與充填體協同支撐、充填體支撐3 個階段[9]。在煤柱與充填體協同支撐階段,煤柱作為主要承載結構維持采場的穩(wěn)定。Emad 等[10]分析了不同充填模式對采場變形的控制效果。Al Heib 等[11]分析了充填體對石膏礦柱的穩(wěn)定性影響,驗證了充填開采降低地表沉陷的效果。Kostecki 等[12]分析了充填體強度對煤柱變形的影響,王方田等[13]進一步研究了充填體與煤柱協同作用下對頂板變形的控制效果。宋衛(wèi)東等[14-15]分析了不同巖石形態(tài)及充填體的應力-應變特征,研究了側限壓縮條件下充填體與巖柱的相互作用。國內專家基于不同的煤巖組合結構,構建了煤巖組合體的損傷模型[16],并研究了不同傾角下煤巖組合體的剪切作用,分析了組合體強度及破壞特征[17-19]。針對充填體對復合結構強度的影響,唐岳松等[20]以煤矸石為骨料,研究了粉煤灰對其強度的影響規(guī)律,得到了充填體的強度演化規(guī)律。陳磊等[21]則基于充填體強度演化規(guī)律,將采場分為強度增長區(qū)和強度恒定區(qū),建立聯合支撐體系,得到采場變形分布規(guī)律。為提高充填效率,路彬等[22-23]提出了連采連充式膠結充填采煤技術,實現了“間隔支巷出煤、分步充填置換”的目標。在該模式下,煤柱暴露時間短,頂板承載結構轉換快,進一步減少了地表沉陷。而在該條件下煤柱的變形特性、應力分布規(guī)律等問題尚不明確,對該開采模式下的采場控制效果仍需進一步研究。

本文基于昊源煤礦連采連充式膠結充填采煤工作面煤柱變形特性,通過研究不同開采模式下頂板承載結構的轉換規(guī)律,分析煤柱側向變形及應力釋放規(guī)律,提出煤柱單側臨空狀態(tài)下的極限平衡寬度。通過數值模擬分析充填體寬度對煤柱承載特性的影響,并提出控制煤柱穩(wěn)定的措施。

1 工程概況

1.1 工程背景

內蒙古昊源煤礦位于烏海市海南區(qū),采用連采連充式膠結充填采煤技術開采16 號煤層。該煤層頂板以砂質泥巖和泥巖互層為主,底板主要為砂質泥巖,平均煤厚為5 m。連采連充工作面由運輸巷、回風巷和開切眼組成,在運輸巷與回風巷之間沿走向間隔5 m 劃分為若干支巷。該工作面采用兩步式回采:一階段回采奇數支巷;二階段回采偶數支巷。連采連充式充填工序如圖1 所示。

圖1 連采連充式充填工序Fig.1 Filling process of continuous mining and filling

為滿足料漿流動性以及充填體強度的要求,該工作面所用充填料漿濃度為81% ,水泥、粉煤灰、矸石的配比為11 ∶19 ∶51,充填體強度約為5 MPa。該工作面采用2 套獨立輸送系統(tǒng)輸送材料,即矸石輸送系統(tǒng)和料漿輸送系統(tǒng)。矸石輸送系統(tǒng)通過地表輸送帶將矸石運送至溜矸孔,通過溜矸孔輸送至井下。料漿輸送系統(tǒng)通過料倉將水泥和粉煤灰在充填站內進行拌和,拌和至預定濃度后通過管道輸送至井下。料漿與矸石在支巷巷口混合,利用煤層傾角進行自流充填。

1.2 采場煤柱變形

煤層開采后,由于未及時充填和充填不接頂,導致煤柱發(fā)生側向變形。隨工作面推進,該變形逐漸增大。煤幫的收斂變形及支護變形如圖2 所示。奇數支巷充填時,充填體在未接頂的情況下,兩側煤幫出現顯著的徑向變形,如圖2(a)(b)所示。煤柱臨空側應力解除后,由三向受力狀態(tài)轉換為兩向受力狀態(tài),在煤柱中間產生顯著變形。在擠壓作用下,煤柱兩端產生相對滑移,導致錨網變形,如圖2(c)(d)所示。采場煤柱變形與所處應力環(huán)境以及回采模式等相關,因此需進一步研究煤柱變形特點。

圖2 煤幫兩側收斂及支護變形Fig.2 Convergence and support deformation on both sides of coal bank

2 充填采場頂板承載結構分析

為研究連采連充式膠結充填采煤過程中煤柱的受力變化及變形特征,基于昊源煤礦充填工作面建立數值模型,分析不同工況下煤柱應力分布特點及側向變形特征。昊源煤礦地質力學參數見表1。

表1 地質力學參數Tab.1 Geomechanical parameters

基于昊源煤礦充填工作面巷道布置,特點建立長240 m、高115 m 的模型,模型兩側預留50 m 邊界,采場長度為140 m,將采場間隔5 m 劃分為若干支巷。各巖層采用摩爾庫倫本構模型,固定兩側及底部邊界,模型計算收斂后,采用Fish 語言編寫相關程序,提取圍巖及煤柱應力與位移數據進行分析。

為得到不同回采模式下煤柱的應力分布及變形特性,分別建立兩步式回采、三步式回采和四步式回采3 種模型。模型分別間隔1 條支巷、2 條支巷、3 條支巷逐步回采,完成工作面充填。據此,分析不同煤柱寬度條件下頂板承載結構的特點。

2.1 圍巖應力分布特征

工作面回采過程中,圍巖應力釋放受煤柱的阻隔作用在采場內形成多段非連續(xù)的平衡拱。采場圍巖應力分布及應力釋放規(guī)律如圖3 所示。不同回采模式下的應力分布規(guī)律如下:

(1) 在兩步式回采中,隨工作面推進,充填體上方的平衡拱逐步擴大。煤柱與充填體間隔分布,限制了兩側平衡拱的擴展。而煤柱與充填體等寬,使相鄰平衡拱的拱腳間距較小,如圖3(a)所示。

(2) 在三步式回采中,煤柱寬度增大,平衡拱范圍略小,如圖3(b)所示。階段二回采導致平衡拱擴大,且圍巖應力在階段一充填體上方產生顯著釋放,煤柱的承載作用降低,如圖3(c)所示。

(3) 在四步式回采中,階段一回采時,煤柱寬度增加,使其阻隔應力傳遞作用增大,平衡拱間距增大,如圖3(d)所示。階段二回采使平衡拱進一步擴展,如圖3(e)所示。而在階段三中,煤柱作用顯著降低,圍巖應力釋放范圍增大,如圖3(f)所示。

圖3 采場圍巖應力分布及應力釋放規(guī)律Fig.3 The stress distribution and stress release law of the surrounding rock of the stope

2.2 頂板承載結構特性

采場應力分布揭示了頂板承載結構的轉換規(guī)律。頂板承載結構依次經歷煤柱與充填體協同承擔和完全由充填體承擔2 個階段。而在兩者協同承擔階段,煤柱作為主要承載結構能有效控制頂板變形。以應力平衡拱解釋頂板承載結構的轉換,其擴展規(guī)律如圖4 所示。各種回采模式下的頂板承載特性如下:

(1) 兩步式回采中,平衡拱拱腳在階段一回采時位于煤柱上方,煤柱作為主要承載結構,控制頂板變形。階段二回采時,隨煤柱的采出,應力平衡拱擴展,當拱頂擴展至關鍵層后,產生移動拱,如圖4(a)所示。

(2) 三步式回采中,前兩階段平衡拱逐步擴展,煤柱仍為主要承載結構。而在階段三回采中,煤柱兩側平衡拱迅速擴展,直至形成移動拱,如圖4(b)所示。

(3) 四步式回采中,前三階段與上述2 種模式一致,而在階段四中,平衡拱迅速擴展,形成移動拱,如圖4(c)所示。

圖4 采場圍巖應力平衡拱擴展規(guī)律Fig.4 Expansion law of stress balance arch of the surrounding rock of stope

壓力平衡拱的擴展規(guī)律揭示了煤柱在充填過程中的作用。煤柱作為主要承載結構,阻隔兩側平衡拱擴展,并與充填體協同承擔上部荷載。同時,煤柱易產生較大的變形(圖2)。

2.3 煤柱水平變形規(guī)律

上述分析表明,在煤柱-充填體協同承載階段,煤柱為主要承載結構,易因過度變形而失穩(wěn)破壞。各階段煤柱水平變形如圖5 所示。根據煤柱側限條件的差異,將煤柱形態(tài)分為3 種,即兩側分別為煤柱與臨空面(形態(tài)一)、充填體和臨空面(形態(tài)二)、充填體和充填體(形態(tài)三)。現結合圖5 著重分析煤柱臨空側水平變形的分布特點。

(1) 在兩步式回采中,煤柱處于形態(tài)一時,受單側擾動,其變形較小。隨開采推進,煤柱進入形態(tài)三,圍巖受開采擾動加劇,煤柱側向變形增大,如圖5(a)所示。

(2) 在三步式回采中,煤柱處于形態(tài)一時,煤柱寬度為2 條支巷寬度,其承載能力較強,使其臨空側變形較小。而隨開采推進,附加荷載增大,使其側向變形加劇,如圖5(b)所示。煤柱處于形態(tài)二時,寬度減小,平衡拱增大,煤柱水平變形加劇,如圖5(c)所示。

(3) 在四步式回采中,煤柱寬度由3 條支巷逐步減少為單條支巷,故其變形規(guī)律與三步式回采一致,如圖5(d)(e)(f)所示。

圖5 各階段煤柱水平變形特性Fig.5 Horizontal deformation characteristics of coal pillars at various stages

經分析,煤柱寬度減小使得應力平衡拱擴展,煤柱所受荷載增加,使其臨空側變形增加。相鄰支巷回采后,煤柱臨空側因失去側限約束而產生碎脹變形。當其兩側均為充填體時,因充填體強度較小,煤柱仍發(fā)生部分水平變形。相較而言,煤柱臨空側易產生較大變形。

2.4 煤柱水平應力分布規(guī)律

煤柱水平應力在3 種形態(tài)下的分布形式各不相同,在臨空側得到顯著釋放,在充填體側仍保持較高應力,而在煤柱側保持原巖應力。將12 號支巷作為研究對象,3 種形態(tài)的煤柱兩側應力分布如圖6 所示。

(1) 當煤柱處于形態(tài)一時,臨空側無約束,在頂底板的擠壓作用下,煤柱應力呈中間小、兩端大分布,如圖6(a)所示。

(2) 當煤柱處于形態(tài)二時,臨空側應力分布與形態(tài)一相同,如圖6(b)所示。而充填側受充填體約束,其應力釋放較小。采用兩步式回采時,采場擾動大,使壓力平衡拱范圍增大,增加了煤柱所支撐的荷載,導致其水平應力釋放增大,如圖6(c)所示。

(3) 當煤柱處于形態(tài)三時,其左側應力分布規(guī)律在不同回采模式中基本一致,如圖6(d)所示。煤柱在兩步式回采時為主要承載結構,而在三步式回采和四步式回采中,充填體逐步成為主要承載結構,充填體的側向變形減弱了煤柱的應力釋放,如圖6(e)所示。

圖6 煤柱兩側應力分布Fig.6 Stress distribution on both sides of coal pillar

3 煤柱極限平衡區(qū)分析

3.1 煤柱極限平衡區(qū)寬度分布

支巷回采導致煤柱的應力狀態(tài)發(fā)生改變,當煤柱兩側為充填體時,在充填體作用下避免了上覆巖層過度的變形。而當煤柱一側為空頂區(qū)時,臨空側易發(fā)生水平變形,致使煤幫失穩(wěn),造成上覆巖層發(fā)生顯著下沉。因此,本文著重研究煤柱處于臨空狀態(tài)時的極限平衡區(qū)寬度?，F基于文獻[24]建立煤柱承載結構的力學模型(圖7)。

圖7 煤柱承載結構力學模型Fig.7 Mechanical model of coal pillar bearing structure

根據文獻[25],彈塑性交界面處應符合應力平衡方程:

當煤柱上下兩側滿足極限平衡條件后,產生相對滑移,故根據極限平衡條件得到交界面處的剪應力分布為

式中,φ為煤柱的內摩擦角,(°);c為煤柱的黏聚力,MPa。

根據極限平衡區(qū)內的應力分布,可提出下述邊界條件:

當x=0 時

當x=le時

將式(1)代入式(2),并基于邊界條件式(3)、式(4)可得到極限平衡區(qū)內煤的應力分布:

進而得到煤柱的應力平衡區(qū)寬度:

當煤柱變形超過其塑性極限后,煤柱臨空側產生片幫等現象。破碎區(qū)與塑性區(qū)交界面處的煤柱應力應滿足如下條件:

將式(7)代入式(5)中,可得到破碎區(qū)寬度:

破碎區(qū)影響煤柱穩(wěn)定,應在煤柱進入破碎區(qū)之前及時充填,恢復煤柱的三向受力狀態(tài),保持煤柱穩(wěn)定。

3.2 應力集中系數對極限平衡寬度的影響

圖8 給出了極限平衡寬度在應力集中系數影響下的擴展規(guī)律。根據塑性區(qū)與破碎區(qū)的分布關系,塑性區(qū)寬度可表示為

圖8 應力集中系數對極限平衡區(qū)擴展影響Fig.8 Influence of stress concentration factor on the expansion of limit equilibrium zone

結果顯示,應力集中系數通過影響塑性區(qū)分布,使極限平衡區(qū)寬度隨應力集中系數增大而顯著增加。當應力集中系數大于5.5 時,極限平衡區(qū)寬度大于2.5 m。在該條件下,若煤柱寬度為5 m,當其兩側均為臨空側時,煤柱整體均處于極限平衡區(qū)內,不利于煤柱的穩(wěn)定。因此,需根據圍巖條件確定合理的煤柱尺寸,保障煤柱穩(wěn)定。

3.3 臨時支護強度對極限平衡區(qū)的影響

臨時支護通過對煤柱臨空側施加約束,近似地將煤柱的兩向受力狀態(tài)還原為三向受力狀態(tài),提高了煤柱的穩(wěn)定性,達到控制煤柱極限平衡區(qū)擴展的作用。結果顯示,臨時支護強度提高,煤柱極限平衡區(qū)寬度隨之下降,其破碎區(qū)與塑性區(qū)同步減小。當臨時支護強度超過6 MPa 時,煤柱不再產生破碎區(qū),同時煤柱塑性區(qū)也隨之減小;當臨時支護強度達到14 MPa 后,煤柱不再產生極限平衡區(qū),其處于彈性變形狀態(tài)。臨時支護強度對極限平衡區(qū)寬度的影響如圖9 所示。

圖9 臨時支護強度對極限平衡寬度的影響Fig.9 Influence of Temporary Support Strength on Ultimate Equilibrium Width

3.4 煤層埋深對極限平衡寬度的影響

埋深對煤柱極限平衡區(qū)寬度的影響如圖10 所示。煤層埋深增加,煤柱上部荷載隨之增加,進而使煤柱極限平衡區(qū)寬度增大,塑性區(qū)和破碎區(qū)同步增加。由式(4)與式(6)的計算結果可知,塑性區(qū)與破碎區(qū)隨埋深變化的增量基本一致。

圖10 埋深對極限平衡寬度的影響Fig.10 The effect of buried depth on the limit equilibrium width

綜上所述,應力集中系數反映上覆圍巖條件對極限平衡區(qū)的影響,圍巖條件越差,煤柱極限平衡區(qū)寬度越大;埋深反映上覆巖層荷載對極限平衡區(qū)的影響,埋深越大,荷載越大,煤柱極限平衡區(qū)寬度隨之增加;臨時支護是控制極限平衡區(qū)寬度擴展的重要措施,提高臨時支護強度,可減小煤柱的極限平衡區(qū)寬度,從而能夠維持煤柱穩(wěn)定。

4 煤柱與充填體不同組合狀態(tài)下的穩(wěn)定特性

充填體將煤柱由兩向受力狀態(tài)轉換為三向受力狀態(tài),其對煤柱側向約束作用顯著提高了煤柱的穩(wěn)定性。為進一步分析充填體對煤柱穩(wěn)定性的影響,研究不同充填體與煤柱組合作用下煤柱的變形及應力分布規(guī)律,建立不同充填體寬度的模型(圖11)。模型中間為煤柱,兩側為充填體,充填體與煤柱的寬度比為n∶1。本文取n為1 ～5。

圖11 煤柱與充填體組合結構的數值分析模型Fig.11 Numerical analysis model of combined structure of coal pillar and backfill

4.1 煤柱位移分布特性

在荷載總量不變的條件下,煤柱兩側充填體的寬度增加,降低了煤柱在模型中分擔的荷載占比。而充填體所承擔的荷載逐步增加,其對煤柱的側向約束作用隨之增強,降低了煤柱的水平變形。結果顯示,n=1 時,煤柱作為主要承載結構,其兩側變形較大。而當n=5 時,充填體所承受的荷載顯著增加,充填體逐步成為主要承載結構,煤柱的水平變形顯著降低。充填體寬度對煤柱變形的影響如圖12所示。

圖12 充填體寬度對煤柱變形的影響Fig.12 The influence of filling body width on coal pillar deformation distribution

4.2 煤柱應力分布特性

與煤柱側向變形一致,其水平應力隨充填體寬度的增加而減小。當n=1 時,煤柱作為主要承載結構,其應力較高,且充填體的側向約束作用較弱,使得煤柱兩側應力釋放較為明顯。而當n=5 時,煤柱所受荷載降低,同時充填體對其側向約束作用顯著提高,故煤柱兩側應力釋放較小。充填體寬度對煤柱應力分布的影響如圖13 所示。

圖13 充填體寬度對煤柱應力分布的影響Fig.13 The influence of filling body width on coal pillar stress distribution

充填體寬度對煤柱的應力釋放作用,一方面體現在減小了煤柱上方荷載,使其應力較小,則側向變形較小,應力釋放減弱;另一方面,充填體承受荷載增加,其對煤柱側向約束作用增加,進一步減小煤柱側向變形,從而維持煤柱的穩(wěn)定。

5 工程應用

為避免支巷煤柱失穩(wěn)破壞,昊源煤礦1602 工作面采用連采連充工藝,采煤與充填同步進行,縮短煤柱臨空時間,減小煤柱臨空側變形。當奇數巷首巷充填體達到7 d 強度后回采偶數巷,減小煤柱承載時間。并通過增大充填率提高充填體的承載能力,減小煤柱應力。通過上述措施,1602 工作面煤柱在臨近支巷開采但未充填時未出現較大變形。而煤柱臨近支巷充填后,煤柱兩側沒有臨空面,故無法對煤幫進行觀測,但根據開采偶數巷煤柱時顯示,所采煤柱較為完整。上述措施有效地解決了煤幫變形失穩(wěn)等問題,二階段回采時煤柱穩(wěn)定狀態(tài)如圖14 所示。

圖14 二階段回采煤柱穩(wěn)定狀態(tài)Fig.14 Stable state of coal pillars in the second stage

6 結 論

通過研究昊源煤礦連采連充工作面煤柱的變形及應力釋放特性,得到煤柱變形規(guī)律及其極限平衡寬度影響因素。

(1) 充填采場內頂板支撐結構依次從煤柱與充填體協同支撐過渡到完全由充填體支撐。兩者協同承載期間,煤柱作為主要承載結構,其側向變形較大,采用四步式回采模式可顯著降低煤柱的應力釋放。

(2) 煤柱的極限平衡寬度包括塑性區(qū)和破碎區(qū)。應力集中系數僅對塑性區(qū)產生影響;臨時支護強度的提高能顯著降低極限平衡寬度;上部荷載增加,埋深增大將引起塑性區(qū)與破碎區(qū)的同步增大。充填體寬度增大,一方面能減小煤柱受力,另一方面能約束煤柱側向變形,維持煤柱穩(wěn)定。

(3) 連采連充工藝能提高充填效率和充填率,顯著縮短了煤柱的臨空時間,減小了煤柱受力。該工藝在昊源煤礦中有效維持了煤柱的穩(wěn)定性。