腾晖煤矿护巷煤柱合理留设尺寸研究*

李从盼,张大明,李 刚

(1.霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司,山西 临汾 031400;2.辽宁工程技术大学 矿业学院,辽宁 阜新 123000)

煤矿地下开采活动中,巷道的稳定性对于保证矿井生产和安全开采至关重要。为了尽可能地提高采区回采率和保护大巷稳定性,大巷护巷煤柱应留设合理的宽度。通过对护巷煤柱留设尺寸国内外研究文献检索可知:第一种方法为理论计算法,但计算的煤柱尺寸往往具有一定的安全系数,煤柱留设过大[1-2];第二种方法为相似模拟法,但相似材料的配比问题,不能够完全真实的代表煤岩层,因此该方法只适用于获取一定的矿压规律,而对于留设具体合理煤柱尺寸适用性较差;第三种方法为数值模拟方法,该技术在岩土工程领域成功解决了许多重大工程问题,为工程人员分析岩体的破坏机理提供了很好的可视化手段[3]。

腾晖煤矿是整合矿井,煤炭资源紧缺,因此,合理的大巷护巷煤柱尺寸对于提高巷道稳定性和煤炭资源回收率具有重要的意义。

1 矿井地质条件概况

霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司是兼并重组矿井,生产能力1.2 Mt/a。目前,矿井在一采区进行回采,按照矿井开采接续计划,2-105采煤工作面预计2018年12月进入末采阶段。2-105工作面布置图见图1。

图1 2-105工作面布置图Fig.1 2-105 working face diagram

2-105综放工作面赋存平均深度493 m,开采2号煤层,煤层平均厚度5.2 m,平均倾角2°,工作面斜长180 m,推进长度765 m,采用两进一回的通风方式,煤层顶底板岩性如表1所示。

表1 煤层顶底板情况Table 1 Roof and floor of coal seam

工作面回采至停采线时,工作面超前采动效应将对采区材料大巷、皮带大巷、回风大巷的稳定性产生影响,采动应力将导致大巷变形失稳。为了确保各条大巷的稳定性,2-105工作面停采位置与大巷间必须留有一定宽度的煤柱,煤柱留设尺寸与采动应力影响程度、煤柱强度密切相关[4-5]。腾晖煤矿之前没有对护巷煤柱合理留设尺寸进行过研究,只是采用经验类比法留设煤柱尺寸,缺乏确定护巷煤柱合理留设尺寸的具体依据和研究基础,造成护巷煤柱留设尺寸的可信度不高。

2 极限平衡理论计算分析

2.1 工作面煤柱超前支承压力影响距离

在工作面回采过程中,从煤柱边缘到深部,会出现破坏区(塑性区内应力低于原岩应力的区域)、塑性区及弹性区,各区域应力分布见图2。

R1-破坏区范围;R2-塑性区范围;R3-弹性区范围;K-应力集中系数;γ-覆岩容重;h-煤层埋深图2 工作面煤柱的应力分布Fig.2 Stress distribution of coal pillars on the working face

由图2可知,当工作面回采至煤柱宽度减小到R3时,工作面的超前支承压力已开始在采区大巷内产生较为明显的影响,即前面所提到的应力升高阶段;当工作面剩余宽度减小至R2时,煤柱内应力达到最大值,即将处于塑性变形阶段;而当工作面煤柱剩余宽度不足破坏区宽度R1时,此时由于煤体发生破坏已完全丧失承载能力,压力已转移到巷道另一侧煤体。

2.2 确定留设合理煤柱尺寸

根据极限平衡理论,采动影响工作面前方煤柱的塑性区宽度(即塑性区位置R2和工作面超前支承压力的影响距离R3)为[6]：

(1)

(2)

式中:M为工作面采高,5.2 m;A为侧压力系数,取A=0.35;K为应力集中系数,取K=2.31;Kd为动压系数,取Kd=1.86;φ为煤体内摩擦角,25.2°;c为煤体内聚力,2.19 MPa;β=1/A=2.7;f为煤层与顶底板间的摩擦系数,按煤层平均角度计算为0.118;γ为上覆岩层平均容重,25 kN/m3;h为埋深,按巷道最大埋深计算,取493 m。

将数值代入式(1)(2)可得R2=7.06 m,R3=56.27 m。末采阶段的让压位置:R2实质就是工作面煤体即将发生塑性变形的宽度,由于煤柱应力会随着工作面的回采不断增大,其强度和承载能力则会逐渐降低,如果回采速度过快并且顶板恰好处于来压时期,会使超前支承压力峰值增大,导致采区大巷顶板下沉和片帮破坏现象加剧。因此,留设合理的煤柱尺寸为工作面超前支承压力的影响距离R3。

因此,根据极限平衡理论,计算的留设合理煤柱尺寸不小于56.87 m。

3 煤柱合理尺寸数值模拟计算分析

3.1 模型建立

数值模拟计算采用目前比较广泛使用的FLAC3D岩土工程三维分析软件,按照2-105工作面地质剖面图尺寸进行建模,由于主要研究2-105工作面推进方向停采煤柱应力和塑性区分布特征,工作面的侧向应力和塑性区暂不考虑,建立三维模型的尺寸为150 m×30 m×31.4 m,共划分175 500个单元,191 740个节点。三维模型的边界条件取为:四周采用铰支,底部采用固支,上部为自由边界。初始垂直应力为自重应力,考虑工作面在地层中所处的深度493 m,地应力边界条件根据实际测量结果进行施加,垂直应力12.5 MPa,由于此区构造应力影响不明显,水平应力1.11 MPa,选用Mohr-Coulomb本构模型。2-105工作面煤岩层物理力学参数均按实验室煤岩样测试结果和工程类比对模型进行赋值,模拟煤岩物理力学参数如表2所示。

表2 数值模拟煤岩物理力学参数Table 2 Mechanical parameters of numerical simulation

简化模型后,建立停采保护煤柱数值计算模型,如图3所示。模型X轴方向为煤层走向,Y轴方向为煤层倾向。模型X轴方向边界煤柱宽30 m,Y轴方向边界煤柱宽4 m,模型初始应力平衡后,先开挖2-105回风巷道宽5 m,高3.5 m,然后布置锚杆(索);待围岩稳定后再开挖2-105工作面,分别模拟留设60 m、50 m、45 m停采保护煤柱尺寸时对巷道稳定性的影响。

图3 停采保护煤柱模型Fig.3 Protective coal pillars model of end-mining

3.2 结果分析

分别选取保护煤柱宽度60 m、50 m、45 m条件下沿工作面推进方向煤柱垂直应力和塑性区分布图进行分析。

3.2.1垂直应力分布

不同尺寸保护煤柱垂直应力分布云图见图4。当留设保护煤柱宽度为60 m时,煤柱内集中垂直应力非对称拱形分布形态较为稳定。当留设保护煤柱宽度为50 m时,煤柱内集中垂直应力逐渐向稳定非对称拱形分布形态过渡,巷道帮壁附近煤柱集中应力范围进一步缩小,煤柱趋于稳定。当留设保护煤柱宽度为45 m时,煤柱内集中垂直应力总体向采空区侧偏移加剧,集中垂直应力非对称拱形分布形态初步形成,巷道与采空区之间煤柱垂直应力升高,且范围进一步缩小,煤柱稳定性受到一定的影响,表明留设45 m保护煤柱时已不利于对巷道的保护。

4-a 60 m保护煤柱

4-b 50 m保护煤柱

3.2.2煤柱破坏状态分布

不同尺寸保护煤柱塑性破坏区随煤柱宽度变化具有显著差异,其塑性破坏分布图见图5。当留设保护煤柱宽度为60 m时,煤柱两侧的塑性区呈现一定的剪切破坏和拉伸破坏,如图5-a所示,煤柱中部存在较大面积未发生破坏区域,煤柱稳定性良好。当留设保护煤柱宽度为50 m时,如图5-b所示,煤柱中部未破坏区域范围进一步缩小,煤柱稳定性较好。当留设保护煤柱宽度为45 m时,煤柱承载剪切和拉伸应力即将贯通整个煤柱,如图5-c所示,煤柱两侧产生大面积剪破坏和拉破坏,煤柱即将失稳。

5-a 60 m保护煤柱

5-b 50 m保护煤柱

5-c 45 m保护煤柱图5 不同尺寸保护煤柱塑性破坏分布图Fig.5 Plastic failure distribution of protective coal pillars of different sizes

综上所述,如果一采区回风大巷保护煤柱尺寸小于45 m时,受2-105工作面采动影响煤柱容易发生失稳,会威胁到采区回风大巷的围岩稳定,从数值模拟角度建议回风大巷保护煤柱留设50 m,但考虑一定的安全系数,综合理论计算和数值模拟结果,建议2-105工作面停采保护煤柱留设宽度为57 m。

4 现场应用效果

为了监测护巷煤柱受回采超前应力的采动影响,在一采区回风大巷靠工作面侧布置2个监测断面,见图6,每个监测断面安装2组钻孔围岩应力计,孔深9 m,2个监测断面间距20 m,第一组距2-1052巷50 m,每个钻孔应力计初始值均在4.0 MPa左右。

图6 监测断面布置示意图Fig.6 Monitoring section layout

实践结果表明,随着2-105工作面向前推进,当工作面距一采区回风大巷60 m时,钻孔应力计压力表的数值开始增大,一采区回风大巷开始产生变形,该现象表明留设60 m的回风大巷保护煤柱最佳,但为了尽可能多回收煤炭,对一采区回风大巷及右侧相邻巷道都采取了补强措施,最终回风大巷保护煤柱留设宽度50 m。

为了监测2-105工作面末采期间对一采区回风大巷的影响,平均布置了4个监测断面对回风大巷的围岩移近量进行了监测,2019年3月15日开始进入末采阶段,2019年5月7日末采工作结束,监测结果如表3所示。4个监测断面中两帮最大移近量为267 mm,顶底板最大移近量为295 mm,均满足回风大巷的使用要求,最终实现了2-105工作面的安全回采与回风大巷的保护。

表3 回风大巷监测断面巷道围岩移近量测量结果Table 3 Convergence of surrounding rocks at monitoring section in retain airway 单位：mm

5 结论

1)利用数值模拟的方法研究了腾晖煤矿一采区2-105综采工作面超前支承压力对大巷稳定性的影响,分别模拟了60 m、50 m和45 m护巷煤柱的垂直应力分布特征和保护煤柱塑性破坏分布特征,结果表明一采区回风大巷保护煤柱尺寸应不小于45 m。

2)根据极限平衡理论对腾晖煤矿一采区回风大巷保护煤柱尺寸进行了计算,得出留设合理煤柱尺寸不小于56.87 m。

3)通过监测护巷煤柱受回采超前应力的采动影响,发现当工作面距一采区回风大巷60 m时,钻孔应力计压力表的数值开始增大,一采区回风大巷开始产生变形,表明留设57 m煤柱的建议与现场监测结果基本一致。