綜放工作面區(qū)段煤柱寬高比效應(yīng)及尺寸優(yōu)化研究

陳 兵，高 亮，杜正虎

(1.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司 信息化運(yùn)維分公司，陜西 榆林 719302；2.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；3.子長縣中達(dá)焦家溝煤業(yè)有限公司，陜西 延安 717300)

綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)經(jīng)歷40a的應(yīng)用實(shí)踐，已成為我國厚煤層的主要開采方法之一，具有高產(chǎn)高效、巷道掘進(jìn)率低、噸煤成本低等優(yōu)勢[1]。然而，區(qū)段煤柱留設(shè)不合理造成煤炭采出率低和巷道維護(hù)困難等問題仍是制約綜放技術(shù)發(fā)展的主要因素之一。目前，大部分綜放開采礦井根據(jù)經(jīng)驗(yàn)留設(shè)20～50m寬的區(qū)段煤柱維護(hù)巷道，造成煤炭資源浪費(fèi)。部分煤礦通過留設(shè)窄小煤柱來提升回采率，但易誘發(fā)巷道嚴(yán)重變形破壞，維護(hù)難度增大，影響礦井安全高效生產(chǎn)[2]。因此，針對不同地質(zhì)條件和開采參數(shù)的綜放工作面，研究區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性及合理寬度，對保障回采巷道穩(wěn)定性和提高煤炭資源回采率具有重要的意義[3-8]。

我國學(xué)者針對綜放工作面區(qū)段煤柱合理寬度留設(shè)方面開展了大量研究[9-13]，綜放工作面采動應(yīng)力場復(fù)雜，受煤柱寬高比和二次采動等影響較大，現(xiàn)有研究較少涉及基于煤柱寬高比效應(yīng)和煤柱失穩(wěn)概率的煤柱寬度確定方法。采用物理模擬、FLAC3D數(shù)值計算和理論分析相結(jié)合的方法，研究綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、應(yīng)力疊加效應(yīng)最明顯區(qū)域的區(qū)段煤柱穩(wěn)定性及動態(tài)應(yīng)力分布形態(tài)，揭示不同寬度煤柱穩(wěn)定性及其寬高比效應(yīng)，結(jié)合極限強(qiáng)度理論和煤柱失穩(wěn)概率確定合理的區(qū)段煤柱寬度，并進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證。研究可為類似條件的綜放工作面區(qū)段煤柱尺寸優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 工程背景

東川煤礦采用斜井開拓，布置主斜井、副斜井和回風(fēng)斜井三個井筒，主要開采4-1號煤層，煤層平均埋深310m，煤層傾角平均5°左右，硬度中等，厚度為5.10～6.25m，平均5.5m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開采方法。工作面采高3.2m，放煤厚度為2.3m，采放比1∶0.7。走向長度為687.6m，傾斜長度為159m。

4-1號煤層基本頂為粗粒砂巖、中粒砂巖，厚3.50～26.31m，抗壓強(qiáng)度平均20.3MPa，抗拉強(qiáng)度平均0.5MPa。直接頂大部分為砂質(zhì)泥巖，厚1.40m。底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚0.4～4.5m，抗壓強(qiáng)度平均18.3MPa，抗拉強(qiáng)度平均0.3MPa。

2 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性物理模擬

2.1 物理模型設(shè)計

根據(jù)礦井綜放工作面地質(zhì)條件及開采參數(shù)，結(jié)合相似理論，確定物理模擬的相似條件和開采方案。物理相似材料選用標(biāo)準(zhǔn)河沙、石膏、大白粉和粉煤灰。分層材料為云母粉，模型鋪裝過程人工制造裂隙。采用拍照和測量的方法詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。物理模型相似條件：

根據(jù)相似條件，采用的相似材料配比見表1。限于模擬平臺尺寸，實(shí)際鋪裝模型尺寸為長×高×寬=3m×1.46m×0.2m。而工作面實(shí)際平均埋深為310m，其余100m上覆巖層用鐵磚配重加載，經(jīng)計算配重鐵磚厚度14.7cm，即在模型頂部鋪設(shè)3層鐵磚(每塊鐵磚厚5cm)。模型左側(cè)留設(shè)66.7cm(原型100m)邊界煤柱，右側(cè)留設(shè)33.3cm(原型50m)邊界煤柱，兩工作面之間預(yù)留設(shè)16.7cm(原型25m)區(qū)段煤柱。模擬開挖方案為煤層開采3.7cm(原型5.5m)，采高2.1cm(原型3.2m)，放煤厚度1.5cm(原型2.3m)。實(shí)驗(yàn)過程采用無線壓力傳感器實(shí)時監(jiān)測預(yù)留區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律。物理模擬實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示。

2.2 不同寬度區(qū)段煤柱穩(wěn)定性及應(yīng)力動態(tài)演化規(guī)律

左側(cè)工作面開采結(jié)束后，留設(shè)25m區(qū)段煤柱，然后進(jìn)行右側(cè)工作面開采。右側(cè)工作面開采結(jié)束后，不斷縮小煤柱寬度，得到不同寬度煤柱結(jié)構(gòu)及受力大小，如圖2所示。分析可得，煤柱寬度由25m縮小至20m時，區(qū)段煤柱承受的平均應(yīng)力由14.6MPa增加至19.5MPa，平均應(yīng)力增加梯度為0.98MPa/m，煤柱表面未出現(xiàn)裂隙和片幫現(xiàn)象，宏觀穩(wěn)定性較好；當(dāng)煤柱寬度由20m縮小到18m時，煤柱承受的平均應(yīng)力為22.3MPa，平均應(yīng)力增加梯度為1.4MPa/m；當(dāng)煤柱寬度由18m縮小至16m時，煤柱承受的平均應(yīng)力為26.3MPa，應(yīng)力增加梯度為2.0MPa/m，煤柱兩側(cè)有明顯的掉渣現(xiàn)象；當(dāng)煤柱寬度縮小至14m時，煤柱承受的平均應(yīng)力為32.2MPa，平均應(yīng)力增加梯度為3.0MPa/m，此時，煤柱兩側(cè)有明顯的片幫現(xiàn)象，煤柱由于承受載荷過大，其穩(wěn)定性較差。

表1 相似材料配比

3 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性FLAC3D數(shù)值計算

3.1 數(shù)值計算方案

根據(jù)礦井地質(zhì)條件和工作面開采參數(shù)，建立FLAC3D數(shù)值計算模型，模型頂部施加3.34MPa的垂直應(yīng)力，模型邊界條件為側(cè)面和底部采用位移約束，左右工作面開挖時留設(shè)50m邊界煤柱，分別進(jìn)行區(qū)段煤柱寬度為25m、22m、20m、18m、16m、14m六種情況的數(shù)值計算。模型開挖前，分別在不同寬度區(qū)段煤柱中部布置應(yīng)力測線，監(jiān)測不同寬度煤柱應(yīng)力分布大小。模型應(yīng)力計算平衡后，4-1煤層的原巖應(yīng)力為7.4MPa。按照最不利原則，左側(cè)工作面開采完畢，選取右側(cè)工作面超前支承壓力峰值位置的區(qū)段煤柱A-A剖面進(jìn)行分析，如圖3所示。

3.2 不同寬度煤柱應(yīng)力演化規(guī)律及塑性區(qū)分布特征

A-A剖面應(yīng)力分布特征如圖4所示，不同寬度區(qū)段煤柱應(yīng)力測線監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制的應(yīng)力分布規(guī)律如圖5所示。分析可得，不同寬度區(qū)段煤柱應(yīng)力演化規(guī)律及塑性區(qū)分布特征總結(jié)如下：

1)當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為20～25m時，煤柱垂直應(yīng)力變化平緩，煤柱兩側(cè)的應(yīng)力峰值為15.9～20.5MPa，煤柱應(yīng)力分布形態(tài)呈現(xiàn)“馬鞍形”。煤柱左幫的塑性區(qū)寬度為1.5～2.5m，右?guī)偷乃苄詤^(qū)寬度為1.0～2.0m，煤柱中部彈性核區(qū)寬度為15.5～22.5m，煤柱中部存在較寬的核區(qū)，煤柱穩(wěn)定。

2)當(dāng)煤柱寬度為18m時，垂直應(yīng)力明顯增大，靠近左側(cè)工作面的應(yīng)力峰值26.5MPa，靠近左側(cè)工作面的應(yīng)力峰值25.3MPa，應(yīng)力分布形態(tài)呈現(xiàn)“平臺形”。煤柱左幫塑性區(qū)寬度為3.0m，右?guī)退苄詤^(qū)寬度為2.5m，中部仍然存在12.5m的彈性核區(qū)，煤柱穩(wěn)定性較好。

3)當(dāng)煤柱寬度縮小到14～16m時，煤柱垂直應(yīng)力急劇增大，兩側(cè)應(yīng)力峰值完全疊加，達(dá)到了31.3MPa，為原巖應(yīng)力的4.2倍，煤柱中部應(yīng)力分布形態(tài)呈現(xiàn)明顯的“拱形”。煤柱塑性區(qū)寬度均達(dá)到了10.0m，塑性區(qū)有連通趨勢，煤柱中部核區(qū)只有4m，煤柱穩(wěn)定性較差。

3.3 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性及其寬高比效應(yīng)

根據(jù)大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，煤柱彈性核區(qū)率η≥65%，則煤柱能夠保持穩(wěn)定，不同寬度區(qū)段煤柱穩(wěn)定性見表2。根據(jù)不同寬度區(qū)段煤柱最大應(yīng)力和塑性區(qū)寬度特征分析可得，煤柱穩(wěn)定性具有明顯的寬高比效應(yīng)，煤柱承受的最大應(yīng)力和塑性區(qū)寬度與區(qū)段煤柱寬高比成負(fù)相關(guān)關(guān)系，煤柱彈性核區(qū)率與寬高比成正相關(guān)關(guān)系，如圖6所示。

表2 煤柱塑性區(qū)及其穩(wěn)定性

4 理論分析及工程驗(yàn)證

4.1 4-1號煤層單軸抗壓強(qiáng)度測定

將現(xiàn)場取回的整塊煤樣加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件，然后在MTS巖石力學(xué)測試系統(tǒng)上進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，4-1號煤層的單軸抗壓強(qiáng)度為15.8MPa。

4.2 區(qū)段煤柱極限強(qiáng)度及安全系數(shù)計算

煤柱穩(wěn)定性與煤體自身強(qiáng)度和煤柱尺寸有關(guān)，煤柱極限強(qiáng)度通常采用Bieniawski公式計算：

σs=σc[0.64+0.36(a/h)]

(1)

式中，σs為煤柱極限強(qiáng)度，MPa；σc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；h為煤柱高度，m；a為煤柱寬度，m；當(dāng)a/h>5時，n=1.4；當(dāng)a/h<5時，n=1。

煤柱安全系數(shù)是確定煤柱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一，煤柱安全系數(shù)越大，煤柱失穩(wěn)的概率越小，煤柱越穩(wěn)定。Hoek研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤柱安全系數(shù)為1.0時，煤柱失穩(wěn)的概率為50%；當(dāng)煤柱安全系數(shù)為1.5時，煤柱失穩(wěn)的概率為0.3%。因此，煤柱安全系數(shù)大于1.0，可認(rèn)為煤柱穩(wěn)定性較好[14]。煤柱安全系數(shù)計算公式為：

fs=σs/Pz

(2)

式中，Pz為煤柱承受最大應(yīng)力，MPa。

根據(jù)物理模擬和FLAC3D數(shù)值計算結(jié)果，煤柱寬度a為25、22、20、18、16和14m時，承受的最大應(yīng)力Pz分別為17.4、18.5、20.3、27.5、31.0和33.8MPa。煤柱高度h為5.5m，煤體單軸抗壓強(qiáng)度σc為15.8MPa，將以上參數(shù)分別代入式(1)、式(2)中，得到不同寬度區(qū)段煤柱極限強(qiáng)度及安全系數(shù)，見表3。

表3 不同寬度區(qū)段煤柱穩(wěn)定性理論計算結(jié)果

根據(jù)表2可得，當(dāng)煤柱寬度小于18m時，綜放工作面區(qū)段煤柱不穩(wěn)定，失穩(wěn)概率較大，與物理模擬和數(shù)值計算結(jié)果一致。因此，礦井在進(jìn)行相鄰綜放工作面區(qū)段煤柱設(shè)計時，留設(shè)煤柱寬度應(yīng)不小于18m。

4.3 工程驗(yàn)證

研究結(jié)論在該礦406工作面進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)踐，406工作面與已開采完畢的405工作面之間的區(qū)段煤柱寬度為18～20m。406工作面開采過程中，與406工作面運(yùn)輸巷之間的區(qū)段煤柱穩(wěn)定性較好，406工作面運(yùn)輸巷頂?shù)装逡平孔畲鬄?20mm，兩幫移近量最大160mm。煤柱幫和開采幫僅有局部發(fā)生片幫現(xiàn)象，保證了工作面安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

1)區(qū)段煤柱未完全失穩(wěn)前，其承受的應(yīng)力大小與其寬度成反比例關(guān)系。煤柱寬度縮小到一定程度時，煤柱平均應(yīng)力增加梯度會顯著增加，煤柱穩(wěn)定性降低。此外，可采用煤柱垂直應(yīng)力分布形態(tài)可表征煤柱穩(wěn)定程度，“馬鞍形”應(yīng)力分布形態(tài)的煤柱較穩(wěn)定，“平臺形”應(yīng)力分布形態(tài)是煤柱設(shè)計的主要依據(jù)，“拱形”應(yīng)力分布形態(tài)是煤柱即將屈服失穩(wěn)的重要特征。以上規(guī)律為確定合理區(qū)段煤柱寬度奠定了基礎(chǔ)。

2)煤柱寬高比效應(yīng)影響其安全系數(shù)和失穩(wěn)概率，煤柱寬高比越大，其承受的最大應(yīng)力越小，煤柱受力越均勻，塑性區(qū)越小，煤柱失穩(wěn)概率越低；煤柱寬高比越小，其承受的最大應(yīng)力越大，煤柱受力集中，塑性區(qū)較大，煤柱失穩(wěn)概率較大。

3)根據(jù)極限強(qiáng)度理論和煤柱安全系數(shù)與穩(wěn)定性的關(guān)系，得出區(qū)段煤柱尺寸小于18m時，煤柱失穩(wěn)概率達(dá)到了60%～70%，煤柱容易受采動作用屈服破壞，不利于安全生產(chǎn)。因此，相鄰綜放工作面間的區(qū)段煤柱寬度應(yīng)不小于18m，現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證可靠。