淺埋綜采工作面區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化

任建喜， 林海， 易歸， 張琨

(西安科技大學建筑與土木工程學院， 西安 710054)

隨著國家煤炭開采的需要，近年來淺埋煤層開采強度不斷增大，由于煤礦安全高效開采的需要，合理保護煤柱寬度的留設問題亟待解決，還要達到煤炭資源的合理節(jié)約和充分應用[1-4]。煤柱寬度留設過寬，會造成煤炭資源的浪費，煤柱寬度留設過窄，雖然能節(jié)約資源，但煤柱支承應力過大，會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，不利于順槽安全使用[5-6]。因此，專家在縮短護巷煤柱寬度方面做了大量研究。目前護巷煤柱合理寬度的研究主要是采用理論計算、現(xiàn)場監(jiān)測或數(shù)值模擬分析等方法[7]。祁方坤等[8]采用護巷煤柱體的極限平衡理論，得出了護巷窄煤柱合理寬度的上限值和下限值的表達式。余學義等[9]和田臣[10]通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法研究了巷間煤柱受雙巷掘進及兩次采動過程中的破壞規(guī)律以及不同煤柱寬度的應力變化規(guī)律、彈塑性區(qū)域范圍和巷道圍巖變形規(guī)律?？道^忠等[11]通過室內(nèi)試驗和數(shù)值分析，建立了工作面回采過程中不同寬度區(qū)段煤柱的力學模型，對比分析了不同煤柱寬度時圍巖應力、變形及塑性區(qū)分布規(guī)律的差異。谷栓成等[12]通過理論推導和數(shù)值模擬的方法，建立臨界狀態(tài)下煤柱彈塑性方程，給出了煤柱塑性區(qū)計算式。張志沛等[13]通過數(shù)值模擬研究某煤礦緩傾斜厚煤層淺部區(qū)段煤柱，得出了緩傾斜厚煤層的合理煤柱寬度。

目前國內(nèi)許多專家學者已經(jīng)在煤柱寬度研究方面取得了豐碩成果，但研究還存在以下問題：首先，大多都熱衷于對厚煤層或深埋區(qū)域的煤柱研究,對淺埋近水平中厚煤層煤柱缺乏系統(tǒng)性的研究成果；其次，綜合考慮不同煤柱寬度下回采后煤柱彈性區(qū)寬度、煤柱支承壓力變化以及順槽圍巖變形共同作用的研究成果有待完善；最后，由于煤礦開采工程地質(zhì)條件多變，煤層地質(zhì)賦存復雜，沒有統(tǒng)一的普適規(guī)律，需要結合回采過程中的順槽圍巖構造及煤柱變形破壞特性，采用多種方法進行綜合分析。因此，現(xiàn)基于龍華煤礦30203工作面地質(zhì)條件和開采條件，采用理論分析，現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬等方法，開展淺埋煤層綜采工作面順槽煤柱優(yōu)化研究工作，以期達到提高回采率的目的，實現(xiàn)綠色高效開采的目標，為類似條件的工作面的煤柱寬度留設提供參考。

1 工程概況

龍華煤礦30203工作面埋深不超過150 m，屬于淺埋煤層[14]。該工作面所采煤層屬于延安組第三段3-1煤層，該工作面煤層厚度為2.7～3.02 m，平均厚度為2.88 m，屬中厚煤層,傾角1°～3°，平均1°，屬近水平煤層，抗壓強度為16.92 MPa，抗拉強度為1.32 MPa。3-1煤頂板為中細粒砂巖，泥質(zhì)膠結，抗壓強度為29.9～56.9 MPa。3-1煤層直接底板為薄層泥巖或粉砂巖，間接底板為細粒砂巖。該工作面走向長2 728 m，傾向長295 m，工作面埋深為80～135 m。

2 工作面區(qū)段煤柱松動圈規(guī)律實測及塑性區(qū)研究

2.1 監(jiān)測區(qū)段設置

30203綜采工作面在開始回采時，在30203綜采工作面分別設置6個監(jiān)測區(qū)段，即在輔運順槽側(cè)煤柱設置一個監(jiān)測區(qū)段，在主運順槽側(cè)煤柱設置4個監(jiān)測區(qū)段，在橫川處設置一個監(jiān)測區(qū)段，并進行編號，如圖1所示。

圖1 30203工作面順槽監(jiān)測區(qū)段分布圖Fig.1 Distribution diagram of 30203 working face grooving monitoring section

2.2 監(jiān)測試驗方案

監(jiān)測區(qū)段一(距離30203工作面切眼420 m處)：布置1組煤柱鉆孔應力計，監(jiān)測主運順槽煤柱支承應力；布置1個頂板數(shù)字成像孔，監(jiān)測主運順槽圍巖破碎情況；監(jiān)測區(qū)段二(距離30203工作面切眼100 m處)：布置1組煤柱鉆孔應力計，監(jiān)測輔運順槽煤柱支承應力；布置1個頂板數(shù)字成像孔，監(jiān)測輔運順槽圍巖破碎情況；監(jiān)測區(qū)段三(距離30203工作面切眼330 m處)：布置1組幫部數(shù)字成像孔，監(jiān)測主運順槽圍巖破碎情況；監(jiān)測區(qū)段四、區(qū)段五與監(jiān)測區(qū)段三布置一致，間距為30 m。監(jiān)測區(qū)段六(距離30203工作面切眼400 m處)：布置1組頂板數(shù)字成像孔，監(jiān)測聯(lián)絡巷圍巖破碎情況。以監(jiān)測區(qū)段一為例，儀器布置圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測區(qū)段儀器布置圖Fig.2 Instrument layout of the monitoring section

2.3 30203工作面區(qū)段煤柱圍巖松動區(qū)范圍

采用武漢長盛公司研發(fā)的數(shù)字鉆孔成像儀對煤柱兩側(cè)的不同階段進行數(shù)字鉆孔成像，分析煤柱鉆孔內(nèi)圍巖裂隙發(fā)育，破碎情況，得出30203工作面區(qū)段煤柱松動區(qū)范圍，如表1所示。

表1 30203工作面區(qū)段煤柱松動區(qū)范圍Table 1 Range of coal pillar loose zone in 30203 working face section

2.4 不同深度煤柱支承壓力變化規(guī)律及塑性區(qū)分析

30203主運順槽煤柱支承壓力監(jiān)測斷面布置在30203工作面主運順槽距切眼420 m位置處，即監(jiān)測斷面一；30203輔運順槽煤柱支承壓力監(jiān)測斷面布置在30203工作面輔運順槽距切眼100 m位置處，即監(jiān)測斷面二?？咨?～5 m范圍內(nèi)，相鄰孔深相差1 m，間距1 m，5～10 m范圍內(nèi)，間距1 m，對所得監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，如圖3所示。

圖3 順槽區(qū)段煤柱支承壓力監(jiān)測變化曲線Fig.3 Monitoring curve of abutment pressure of coal pillar in caving section

由圖3(a)所示，30203主運煤柱測點3、4 m同時在距工作面25 m左右出現(xiàn)突然增大，壓力增速逐漸加快,說明測點處煤體進入塑性區(qū)。因此，判定30203主運煤柱塑性區(qū)為4 m左右。由圖3(b)可知，30203輔運煤柱測點1、2、3、10 m同時在距工作面20 m左右出現(xiàn)突然增大，壓力增速逐漸加快，說明測點處煤體進入塑性區(qū)。當測點距離工作面-55～-45 m時，各測點支承壓力達到了峰值。因此，判定30203輔運煤柱塑性區(qū)為3 m左右。

綜上分析，30203區(qū)段煤柱兩側(cè)呈現(xiàn)非對稱變形破壞，由于主運一側(cè)煤柱靠近采空區(qū)，煤柱支承壓力更大，因此，主運煤柱塑性區(qū)比輔運煤柱塑性區(qū)寬1 m。

3 煤柱合理寬度留設理論分析

3.1 基于彈性核理論煤柱合理寬度留設分析

彈性核理論將綜采工作面區(qū)段煤柱劃分為彈性核區(qū)和兩側(cè)的松動區(qū)、塑性區(qū)[15]。根據(jù)圍巖應力及圍巖變形受力特性，煤柱支承壓力分布區(qū)域中的降低區(qū)、升高區(qū)和原巖應力區(qū)分別對應于煤柱的松動區(qū)、塑性區(qū)和彈性核。具體如圖4所示。

Ⅰ為應力降低區(qū)；Ⅱ為應力升高區(qū)；Ⅲ為原巖應力區(qū)；σy為煤柱的 支承壓力；x為彈性核范圍；γ為上覆巖層平均容重;H為開采深度圖4 順槽煤柱支承壓力分布特征Fig.4 Abutment pressure distribution characteristics of coal pillar along the chute

當煤柱兩側(cè)發(fā)生塑性破壞變形后，中間有一段原巖應力區(qū)，處于彈性狀態(tài)，其寬度應大于煤層采高的兩倍，這樣才能確保煤柱處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

根據(jù)煤層開采高度，煤柱塑性區(qū)范圍以及煤柱松動區(qū)范圍可以計算出煤柱留設的理論寬度。具體計算公式為

x1≥2h+x2+x3

(1)

式(1)中：x1為煤柱留設寬度，m；h為順槽采高，m；x2為煤柱塑性區(qū)寬度，m；x3為煤柱松動區(qū)寬度，m。

3.2 煤柱塑性區(qū)模型的建立與求解

圖5 塑性區(qū)力學模型Fig.5 Mechanical model of plastic zone

采用彈性核理論和拋物線強度理論，取煤柱里的一個微元為研究對象，列出平衡微分方程和極限平衡方程。

τ2=A(σ+B)

(2)

(3)

B=σt

(4)

式中：τ為切向應力；σc為3-1煤的抗壓強度；σt為3-1煤的抗拉強度。

建立平衡微分方程求解：

(5)

將式(2)代入式(5)可得

(6)

為了簡化計算，設：

τxz=f(x)g(x)

(7)

式(7)中：f(x)g(x)為微分方程的函數(shù)解。

將式(7)代入式(6)可得

(8)

(9)

式中：C1為常數(shù)。

由于煤柱高度與埋深相比很小，可認為煤柱豎向和水平應力在該高度范圍內(nèi)不變，則f(z)為常數(shù)。

由力學模型中邊界條件可得

(10)

當x=Lp時，σx=σxl

(11)

式(11)中：Lp為煤柱塑性區(qū)的寬度。

將式(10)和式(11)代入式(9)，并考慮工作面的采動影響，得到煤柱塑性區(qū)的寬度為

(12)

式(12)中：d為采動影響因子，取1.5～3.0；M為所采煤層厚度。

3.3 煤柱寬度的求解

根據(jù)室內(nèi)實驗以及礦上給的地質(zhì)資料，模型物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 模型物理力學參數(shù)表Table 2 Physical and mechanical parameters of the model

將各個參數(shù)代入式(12)，求得煤柱塑性區(qū)寬度Lp為3.2 m。

由現(xiàn)場實測可知，優(yōu)化前采空區(qū)側(cè)松動區(qū)范圍為0.6～0.8 m，優(yōu)化前輔運順槽側(cè)松動區(qū)為0.4 m。由式(1)可知，煤柱優(yōu)化后的寬度至少為13.4 m，即理論上煤柱可優(yōu)化的寬度至多為6.6 m。

4 煤柱寬度優(yōu)化FLAC3D模擬

4.1 模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值軟件，給定20.0、17.0、15.0、12.0 m的4種煤柱寬度，模擬過程中本構模型選取FLAC3D軟件中內(nèi)置的摩爾-庫侖模型。模型建立過程中，嚴格按照地層資料、巷道尺寸及工作面尺寸，3-1煤煤層平均埋深為112 m，采空區(qū)寬度為300 m。模型尺寸為500 m×10 m×150 m(長×寬×高)，順槽斷面為寬×高=6.0 m×3.0 m，共有104 640個單元格，127 458個節(jié)點。具體模型如圖6所示。

4.2 邊界條件及巖層物理力學參數(shù)的確定

模型上邊界按上部覆巖自重確定；左右邊界分別設置零位移的邊界條件，故在模型左右兩側(cè)均加入水平約束；下部邊界為全約束邊界。模型尺寸為500 m×10 m×150 m(長×寬×高)，順槽斷面為寬×高=6.0 m×3.0 m，共有209 280個單元，254 916個節(jié)點。根據(jù)室內(nèi)實驗及地質(zhì)資料，模型巖層層位(從上到下)及物理力學參數(shù)如表3所示。

圖6 模擬計算模型Fig.6 Computational model

表3 巖層物理力學參數(shù)表Table 3 Physical and mechanical parameters of rock strata

4.3 計算結果分析

4.3.1 煤柱彈性區(qū)計算結果

實體煤巷道開挖后，根據(jù)實際工作面推進模擬計算，分別顯示出不同寬度煤柱在回采過后的塑性區(qū)域范圍，如圖7所示。圖7(a)～圖7(c)中，藍色、紅色區(qū)域代表塑性區(qū)，綠色區(qū)域代表彈性區(qū)。圖7(d)中藍色、綠色代表塑性區(qū)，紅色區(qū)域代表彈性區(qū)。

圖7 回采后不同煤柱寬度下的塑性區(qū)范圍Fig.7 Range of plastic zone under different coal pillar widths after stoping

由圖7可知，在20、17、15 m煤柱條件下，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度分別為3、3、3 m，輔運順槽側(cè)塑性區(qū)寬度分別為4、3、3 m，煤柱的彈性區(qū)寬度分別為13、11、9 m，均大于2倍的采高(2×3=6 m)；在煤柱寬度為12 m時，采空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度為2 m，輔順側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度為4 m，煤柱的彈性區(qū)寬度為6 m，不大于2倍的采高(2×3 m=6 m)，不能保證區(qū)段煤柱的安全穩(wěn)定。

4.3.2 煤柱支承壓力分布規(guī)律

模擬計算中在煤柱寬度范圍內(nèi)，從左至右每隔1 m布置1個監(jiān)測點，監(jiān)測煤柱豎向應力，具體如圖8所示。

圖8 不同煤柱寬度下支承壓力分布曲線Fig.8 Abutment pressure distribution curve under different coal pillar widths

由圖8可知，煤柱支承壓力呈現(xiàn)馬鞍形分布規(guī)律，隨著煤柱寬度從20 m減小到12 m，煤柱支承壓力的峰值也由14.14 MPa增長到15.68 MPa，峰值點處表明采空區(qū)側(cè)煤體開始進入塑性狀態(tài)。彈性區(qū)范圍內(nèi)煤柱支承壓力隨著距采空區(qū)側(cè)煤柱壁的水平距離的減小呈線性增加的趨勢，在20、17、15 m煤柱寬度下，其彈性區(qū)寬度分別為13、10、9 m，均大于兩倍的采高，而在12 m寬度下，彈性區(qū)的寬度為5 m，小于兩倍的采高，不能保證區(qū)段煤柱的安全穩(wěn)定。

4.3.3 順槽圍巖變形結果

為了得到回采過程中順槽頂板下沉量和兩幫收斂變形量，計算過程中在輔運順槽布置監(jiān)測點，得到了輔運順槽圍巖變形值，具體如表4所示。

表4 不同工況下輔運順槽圍巖變形結果表Table 4 Deformation results of surrounding rock in the lower auxiliary transport tunnel under different working conditions

在30203工作面回采過程時，輔運順槽會受到回采動壓和煤柱寬度的影響，當煤柱寬度為20、17、15 m時，輔運順槽圍巖變形較小，頂板下沉量與兩幫收斂值都在可控的安全范圍內(nèi)，當煤柱寬度為12 m時，輔運順槽圍巖變形比較大，不滿足順槽安全穩(wěn)定的要求。

5 現(xiàn)場工業(yè)性試驗研究

以30205工作面為優(yōu)化對象，區(qū)段留設煤柱寬度為15 m。對煤柱圍巖變形進行了現(xiàn)場持續(xù)觀測，選取了 3 個斷面位置進行監(jiān)測研究。監(jiān)測結果如表5所示。其兩幫收斂最大值為42.3 mm，頂板下沉量最大值為64.8 mm，均處在安全許可范圍內(nèi)，順槽圍巖基本穩(wěn)定。說明區(qū)段留設煤柱寬度設為15 m是合理的。

表5 30205工作面監(jiān)測斷面圍巖變形結果表Table 5 Surrounding rock deformation results of monitoring section of 30205 working face

6 結論

(1)通過現(xiàn)場實測得20 m煤柱寬度下，采空區(qū)側(cè)煤柱松動區(qū)范圍為0.6～0.8 m，塑性區(qū)范圍為4 m；輔運順槽側(cè)煤柱松動區(qū)范圍為0.4 m，塑性區(qū)范圍為3 m。彈性區(qū)寬度為11.8 m，大于兩倍采高。由此可見，現(xiàn)有20 m煤柱煤柱寬度有優(yōu)化的空間。

(2)通過理論分析，采用彈性核理論和拋物線強度理論，計算可得煤柱塑性區(qū)寬度為3.2 m，煤柱優(yōu)化后的寬度至少為13.4 m，即理論上煤柱可優(yōu)化的寬度至多為6.6 m。

(3)通過FLAC3D有限差分軟件進行模擬不同的工況，對不同煤柱寬度下回采后煤柱彈性區(qū)寬度、煤柱支承壓力變化分布以及順槽圍巖變形進行了分析，將30203工作面留設煤柱寬度由原來的20 m優(yōu)化到15 m，能夠保證工作面回采過后煤柱及輔運順槽的安全穩(wěn)定。

(4)通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗表明：順槽圍巖基本穩(wěn)定。說明區(qū)段留設煤柱寬度設為15 m是合理的，增加了煤礦的經(jīng)濟效益。