基于SMP准则的煤柱合理尺寸研究

李江龙

(山西潞安集团 余吾煤业有限责任公司,山西 长治 046103)

在我国煤炭产量中厚煤层产量占比达到45%左右[1],而煤炭开采不可避免存在一定资源损失,其中损失量较大的主要是区段煤柱和顶煤冒放不充分,特别是在厚煤层放顶煤开采中,区段保护煤柱损失占有相当大的比例[2]。所以,有必要进行科学合理地设计区段保护煤柱尺寸,在满足巷道稳定的前提下尽量缩小煤柱宽度,对于减少煤炭资源损失意义重大。

晋煤集团赵庄二号井主采3#煤层,设计采用综合机械化放顶煤方法开采,以往该矿根据工程经验采用30 m的区段保护煤柱,实践表明该煤柱尺寸完全能够保证巷道的正常使用,故需要进一步研究,能否对现有煤柱尺寸进行优化,从而提高煤炭资源采出率,本文针对晋煤集团赵庄二号井西盘区2314工作面开采条件,进行区段宽煤柱合理尺寸留设相关理论研究,以期科学的指导生产。

1 煤层概况

赵庄二号井2314工作面位于西翼盘区,开采3#煤层,平均埋深490 m,采用放顶煤开采。煤层平均厚度为4.7 m,煤层倾角为0°～8.5°,平均厚度为3 m。煤层直接顶为中厚层状粉砂岩,厚度平均为3.94 m。基本顶为灰白色细粒砂岩,平均厚度为4.2 m。直接底为灰黑色炭质泥岩及砂质泥岩互层,平均厚度2.15 m。基本底为深灰色粉砂岩,平均厚度为5.3 m。3#煤层与围岩力学测试结果如表1所示。

表1 3#煤层与围岩力学测试结果Table 1 Mechanics testing of No.3 coal seam and surrounding rocks

2 应用SMP准则确定煤柱尺寸

现阶段在进行区段煤柱尺寸研究的过程中,经常应用的理论为Mohr-Coulomb准则以及A.H.Wilson简化公式,但是这些理论公式均有一定的不完善之处。

1)通常人们会采用Mohr-Coulomb屈服准则确定煤柱塑性区的范围,因该理论没有考虑到中间主应力所带来的影响,从而会导致计算结果过于保守。

2)目前煤柱中弹性核区范围的确定往往是基于经验数据,即弹性核区宽度近似等于2倍的采高,该结论没有经过严密的理论推导,正确与否还有待进一步确定。

外国学者Matsuoka等以空间滑动面(SMP)为依据创造性的提出了SMP屈服准则,根据该准则确定煤柱尺寸,不仅满足Mohr-coulomb屈服准则,还可以避免偏平面内Mohr-coulomb屈服准则产生的奇异性影响以及Drucker-prager准则的抗压强度相等性的作用影响,并且能够体现中间主应力的作用效果[3-5]。

应用SMP准则,利用极限平衡理论能够得到区段煤柱宽度B表达式为:

(1)

针对赵庄二号井2314工作面,计算得B=24.72 m,即3#煤层区段保护煤柱理论尺寸不宜小于24.72 m。

3 区段煤柱合理尺寸数值模拟研究

3.1 模型设计和建立

1)模拟模型几何尺寸为长×宽×高=380 m×160 m×60 m,计算模型如图1所示。

2)以赵庄二号井西盘区开采条件进行模拟,相关的物理力学参数如表1所示。

3)本次数值模拟方案决定采用固定边界条件,即对前后表面的y方向上进行固定,左右表面的x方向上进行固定,下表面的z方向上进行固定,而在模型上表面的z方向上采用应力边界,根据埋深确定应力值为10.75 MPa。

4)本模型共划分222 720个矩形网格,研究区域局部加密,利用双屈服材料模拟垮落矸石对采空区进行充填,模型计算过程中采用Mohr-Coulomb准则进行判定。

图1 计算模型Fig.1 Calculation model

3.2 模拟方案

结合理论计算结果,确定模拟方案时采用以下原则:将25 m的煤柱宽度作为中间值,通过增加或者减小煤柱尺寸,分别制定了19 m、21 m、23 m、25 m、27 m以及29 m六个煤柱宽度的模拟方案。

3.3 煤柱稳定性确定指标

.(2)

赵庄二号井3#煤层的抗压强度取平均值9.8 MPa,煤层普氏硬度f基本在0.4～1.32范围内,属于松软煤层。因此，煤柱弹性核区率的最小值确定取0.65。

3.4 模拟结果分析

表2表示当煤柱的宽度分别取19 m、21 m、23 m、25 m、27 m与29 m的条件下,并且受到下个区段工作面采动影响时,区段煤柱中弹性核区率的模拟结果。

下区段工作面开采后,受上区段采空区顶板压力与本区段采空区上覆岩层的双重影响,煤柱的塑性破坏加剧,不同宽度煤柱的塑性区情况如图2所示,数值模拟表明随着煤柱宽度增加,核区率增大。在19 m的煤柱宽度下,煤柱两侧塑性区的宽度之和明显大于中部弹性核区的宽度;在煤柱宽度取23 m的情况下,煤柱中塑性区的范围会进一步缩小,弹性核区的范围进一步增大,此时煤柱中部弹性核区的范围为13 m,核区率为0.56;继续增大煤柱尺寸,在其取25 m的情况下,煤柱中部弹性核区的范围能达到16.5 m,核区率为0.66,根据上述煤柱稳定性弹性核区率指标判定,煤柱能够保持相对稳定。同时,当煤柱的宽度大于25 m之后,继续增大煤柱的宽度已经无法减小塑性区的宽度,只能进一步增大弹性核区的宽度。结合上节理论结算结果确定3#煤层区段保护煤柱尺寸为25 m。

表2 下区段工作面回采时不同宽度煤柱的弹性核区率统计Table 2 Elastic kernel curvature of coal pillars with different widths on the mining of lower section working face

图2 不同宽度煤柱的塑性区情况Fig.2 Plastic zones of coal pillars with different widths

4 现场实践效果分析

根据上述理论计算与数值模拟分析,确定3#煤层区段保护煤柱合理尺寸为25 m,并在现场进行了实施。在工作面推进过程中通过在巷道顶底板以及两帮设置相应测站,针对围岩变形进行观测并记录,分析论证所得数据,从而验证该煤柱留设方案的可行性。图3为工作面初采阶段轨道巷的围岩变形监测结果。

由图3得出,在工作面初采阶段,轨道巷围岩变形量不断增大,其中在顶底板方向主要表现为顶板下沉,底鼓量相对较小,顶底板移近量最大值77 mm,两帮移近量最大值190 mm。在工作面推进过程中,工作面距测站距离达到51.6 m的时候,测站处巷道顶底板开始出现变形,而工作面到测站距离缩小到32.8 m时,此时顶底板的变形量明显增大,在监测过程中巷道顶底板移近速度最大值达到30 mm/d。在工作面距测站距离为56.8 m的时候,两帮开始出现变形,当工作面到测站距离缩小到31.6 m时,两帮变形速度显著增大,在监测过程中巷道两帮最大移近速度为25 mm/d。

3-a 巷道围岩位移变化曲线

3-b 巷道围岩移近速度变化曲线图图3 轨道巷围岩变形监测结果Fig.3 Monitoring results of surrounding rock deformation in track transportation roadway

上述监测结果表明,采用25 m的区段保护煤柱留设方案后,工作面推进过程中巷道围岩变形量在可接受范围内,稳定性较好,因此该方案具有一定的可行性。

5 结论

1)基于考虑中间主应力影响的SMP破坏屈服准则,理论计算出区段煤柱合理尺寸应不小于24.72 m。

2)利用FLAC3D数值模拟软件,构建3#煤层区段煤柱模型,分别计算区段煤柱在不同宽度条件下的弹性核区率,依据煤柱稳定性指标即采用弹性核区率判定,可以得出设计工作面的区段煤柱宽度应不小于25 m。

3)结合理论和数值模拟分析结果确定赵庄二号井3#煤层西盘区工作面区段煤柱留设尺寸为25 m较为合理。

4)根据现场巷道围岩监测结果,工作面推进过程中,巷道围岩变形量在可接受范围内,巷道稳定性较好。