采空区下近距离煤层合理区段煤柱宽度研究

康蝉龙

(山西中钢煤业有限公司,山西 吕梁 033400)

1 研究背景及建模工具

区段护巷煤柱宽度受埋藏深度、煤层厚度、煤层硬度、顶底板岩层条件和采动应力分布等因素的影响[1]。一些矿井为了使煤柱的宽度更加合理,对不同煤柱宽度下的巷道变形状况和煤柱应力分布进行了系统的测试[2],从而选出了煤柱最佳宽度,也有一些矿井经过长期的实践经验积累形成了一些经验公式[3]。总的来说,煤柱的合理宽度取决于回采工作面侧向支承应力的分布[4]。

根据采煤工作面侧向支承压力的分布情况,沿工作面倾斜方向应力升高区内的高应力是造成布置在该范围内的巷道产生破坏的主要原因[5]。为了正确选择护巷煤柱的大小,必须首先了解应力升高区及其峰值离煤体边缘的距离[6]。下面通过经验公式法和三维数值计算法确定应力升高区的范围,进而确定合理煤柱宽度。

2 经验公式法确定区段煤柱宽度

根据目前的研究,沿煤柱倾斜方向支承压力的明显影响范围距煤帮的距离B(单位:m)可以按下列经验公式估算:

B=17.015-0.475f0-0.16RC-0.199α+1.593M+1.7Z×10-3.

(1)

式中：f0为煤的坚固性系数,取1;RC为顶板岩层加权平均抗压强度,取15 MPa;α为煤层倾角,取8°;M为煤层采高,取2.5 m;Z为开采深度,取250 m。

将以上参数代入式(1),得嘉乐泉煤矿下一采区9号煤工作面回采时侧向支承压力明显影响范围距煤帮的距离B=17 m。

3 三维数值计算法确定区段煤柱宽度

3.1 数值计算模型

顺槽煤柱的合理尺寸取决于采动侧向支承应力的分布。在留设煤柱保护巷道的条件下,巷道应位于采动支承应力明显影响范围以外,以确保在锚固条件下,巷道围岩能够保持稳定。

为了反映在工作面推进过程中,采动侧向支承应力的分布及其变化规律,必须采用三维模型。模拟的9号煤层顺槽为矩形断面,宽×高=3.6 m×2.5 m,工作面长度为190 m,取其中线为对称面,确定模型的一侧宽度为工作面长度的一半80 m,另一侧为实体煤,取其宽度为60 m,即模型宽度取143.6 m;模拟9号煤底板岩层厚20 m,9号煤厚2.5 m,9号煤顶板岩层52.5 m(9号煤与8号煤的层间距7.5 m,8号煤厚4.5 m,8号煤顶板40.5 m),即模型在高度方向的尺寸为75 m;考虑到工作面推进过程中顶板岩层周期来压的影响,模型在工作面推进长度上取200 m,则模型的长×宽×高=143.6 m×200 m×75 m。按埋深250 m考虑,上覆197.5 m厚的岩层压力,按均布载荷施加在模型边界。模型共划分107 744个单元,115 710个结点。

3.2 模拟过程

模型建好后计算初始应力场至平衡,然后沿工作面推进方向,按8号煤层的开采条件开挖8号煤,每次开挖5 m,开挖高度4.5 m,计算至平衡;完成8号煤开采和计算后,开挖9号煤工作面顺槽,计算至平衡;开挖9号煤,也是每次开挖5 m,计算至平衡,再开挖5 m,计算至平衡。以此循环,直至工作面推进150 m。为了模拟实际开采过程中顶板的垮落情况,在计算过程中让工作面后方5 m的顶板垮落,并呈倒台阶移至底板,顶板垮落过程中考虑碎胀系数为1.33,垮落高度取7.5 m,并赋以相应的物理力学参数,以此填充采空区。在此条件下研究工作面推进过程中采动侧向支承应力的分布及其变化规律。

3.3 采空区的模拟

采空区已冒落的矸石是一种松散介质,它对顶板支撑的力学作用可以近似看作弹性支撑体。随工作面的推进,冒落矸石在覆岩作用下逐渐被压实,弹性模量E(单位:MPa)和泊松比μ随时间和工作面推进距离而改变,即

E=15+175(1-e-1.25t),

(2)

μ=0.05+0.2(1-e-1.25t) .

(3)

式中：t为时间，a。一般综采工作面推进70 m后,采空区后方的冒落矸石逐渐被压实,采空区下近距离煤层综采工作面推进50 m后,采空区后方的冒落矸石就会处于被压实的稳定状态,压实后采空区矸石的碎胀系数为1.11。从另一方面来说,碎胀系数与上覆岩石的压力之间呈对数关系,即

K=alnp+b.

(4)

式中：K为碎胀系数;a,b为回归系数;p为上覆岩层的压力, MPa。综合考虑采空区冒落矸石的物理力学特征及其变化规律的已有研究成果,在计算中取采空区冒落矸石的物理力学参数如表1所示。为了真实地模拟实际回采过程中已冒落矸石的支撑作用,计算中动态改变局部材料特征,逐步提高采空区矸石的物理力学参数。

表1 采空区已冒落矸石的物理力学参数Table 1 Physical mechanics parameters of falling gangue in goaf

3.4 模拟结果及其分析

1)侧向煤岩体屈服破坏特征

图1示出当工作面推进150 m时,工作面前方+20 m,+10 m,后方-20 m,-50 m,-100 m,-120 m处的侧向煤岩体的屈服破坏特征。从图中可以看出,随着距工作面后方距离的加大,煤柱侧向煤岩体的破坏程度与破坏范围逐渐加大,特别是顶板上方岩体的破坏先是逐渐向煤柱侧深部演化,达到一定深度后趋于稳定。

2)侧向垂直应力分布特征

图2示出当工作面推进150 m时,工作面前方+20 m,+10 m和工作面后方-20 m,-50 m,-100 m,-120 m处的采动侧向垂直应力分布曲线图。从图中可以看出,随着后方距工作面煤壁距离的增大,侧向煤柱中的垂直应力的大小和影响范围都在明显增大,在后方-100 m以上逐渐趋于稳定。采动侧向垂直应力分布的峰值点出现在工作面侧向1 m～3 m处,剧烈影响范围10 m,明显影响范围15 m以内。

图1 距工作面不同距离处侧向煤岩体的屈服破坏Fig.1 Yield failure of lateral coal and rock mass at different distances from the working face

图2 距工作面煤壁不同距离处采动侧向垂直应力分布曲线Fig.2 Lateral vertical stress distribution curves at different distances from the coal wall of the working face

3)侧向水平应力分布特征

图3为当工作面推进150 m时,工作面前方+20 m,+10 m和工作面后方-20 m,-50 m,-100 m,-120 m处的采动侧向水平应力分布曲线图。从图中可以看出,开采引起的侧向水平应力的峰值出现在距巷壁2 m～5 m范围内,剧烈影响范围10 m,明显影响范围15 m。在工作面后方-100 m附近,侧向水平应力的变化趋于稳定。

图3 距工作面煤壁不同距离处采动侧向水平应力分布曲线Fig.3 Lateral horizontal stress distribution curves at different distances from the coal wall of the working face

4 结论

综合分析工作面侧向煤岩体的屈服破坏和垂直应力及水平应力的分布计算结果,可以初步确定嘉乐泉煤矿9号煤层顺槽煤柱的宽度为10 m～15 m。