郭子程
(山西高河能源有限公司,山西 长治 047100)
由于采掘衔接紧张,高河矿在W4301工作面回采期间提前相向开掘邻近接续W4302工作面的回采巷道,但迎采巷道围岩稳定性将受到采掘应力的耦合影响,不仅巷道变形量大、支护困难问题突出,为此需要研究合理护巷煤柱宽度,以实现控制迎采巷道围岩稳定性、实现2个工作面安全生产的目的。
山西高河能源有限公司为设计产能7.5 Mt/a的高瓦斯生产矿井,主采3号煤层,属高瓦斯低透气性煤层。为保证邻近工作面顺利接续,设计在W4301工作面回采期间应用边采边掘工艺布置W4302工作面的回风顺槽。W4302回风顺槽位于矿井西四盘区,北面临W4301工作面,东面接+450 m水平南翼大巷,西面为矿界,南面为W4302工作面未采区,埋藏深度约480 m,3号煤底板距9号煤底板平均距离约65.4 m。
W4301工作面采用“Y+L”型通风方式,按照两进一回+高抽巷布置,胶带顺槽与进风顺槽进风,回风顺槽回风;W4302工作面设计采用“W”型通风方式,仍按照两进一回+高抽巷布置,其中W4302进风顺槽为通过沿空留巷方式保留下来的原W4301进风顺槽,W4302胶带顺槽为原W4301回风顺槽,W4302回风顺槽即准备开掘的迎采巷道,迎采巷道位置平面示意图见图1。
图1 迎采巷道位置平面示意图
W4301工作面与W4302回风顺槽均沿3号煤层底板布置,根据W4301进风顺槽掘进期间瓦斯涌出情况预测,W4302回风顺槽掘进期间单循环落煤最大瓦斯涌出量为1.0 m3/min,煤壁每百米瓦斯涌出量为0.2 m3/min。
W4301工作面长度为320 m,埋深范围为380.602~442.005 m,胶带、进风、回风顺槽长度分别为1 696、1 586、2 454 m,进风顺槽同高抽巷之间留设35 m煤柱,高抽巷长度为1 552 m。工作面采用综放开采工艺,煤层均厚6.08 m,采高3.5 m,放煤高度2.58 m,采放比1∶0.74,放煤步距为一采一放。
影响护巷煤柱稳定性的主要因素为煤柱所承受的载荷以及煤柱强度。在煤矿特殊地质条件与生产环境下,对煤柱载荷和强度产生影响的因素如煤层埋深、煤层厚度、地质构造与煤体内弱面、煤柱与顶底板接触系数、顶底板覆岩岩性等均为客观不可选变量,因此仅可通过选择护巷煤柱的宽度来提高煤柱承载性与稳定性。此外,可将护巷煤柱视为一个大的岩石试件,若要保证其稳定性则需要所受载荷低于煤柱自身强度值,并留有一定的富余量。因此,将从上述2方面研究护巷煤柱稳定条件,并在此基础上优化护巷煤柱的合理尺寸。
两侧工作面回采结束后,护巷煤柱两侧围岩分别有破碎和塑性区域,宽度分别记为x0、x1,见图2。
图2 护巷煤柱支承应力分布情况示意图
假设令x0+x1=x,大量开采实践表明,护巷煤柱处于稳定状态的条件为其内部具有不小于煤柱高度2倍的弹性核区,即
式中:x3为弹性核区宽度,m;B为护巷煤柱宽度,m;M为煤柱高度,取6.08 m。
由公式1计算确定W4302回风顺槽护巷煤柱内弹性核区宽度不应小于12.16 m。
图3所示为护巷煤柱合理尺寸计算示意图。
图3 护巷煤柱合理尺寸计算示意图
如图3所示,在W4302回风顺槽掘进期间,其两侧分别为采空区、实体煤,而在W4302工作面回采时还会受二次采动影响。护巷煤柱的宽度应有利于迎采巷道围岩稳定性控制,因此为避免出现围岩变形严重、顶板冒落、底鼓以及片帮等灾害的发生。护巷煤柱的合理留设宽度的理论计算公式为:
式中:x1为W4301工作面开采产生塑性区的宽度,m;x2为W4302工作面采掘影响产生塑性区的宽度,m。
以下几个方面的假设为基础:①将煤体视为连续、均匀且各向同质的弹性体;②不考虑煤柱屈服前所发生的位移和变形;③煤柱只受覆岩的自重应力和采动的影响,不受构造应力的影响;④煤柱所受上覆载荷呈对称分布;⑤当煤柱因剪切力出现变形破坏时,其剪切破坏面与煤层相平行;⑥当煤柱局部发生屈服时,将发生屈服的区域作为弹性极限考虑。
2.2.1 W4301工作面开采产生塑性区的宽度
根据岩石力学极限平衡相关理论,煤柱塑性区宽度,即支承压力峰值至煤体边缘距离x1为:
式中:K为应力集中系数,取4;Q1为对煤帮支护阻力,取480 k P a;C为煤粘聚力,取2.02 MPa;φ为煤内摩擦角,取20°;f为煤同顶底板围岩接触的摩擦因数,取0.3;ξ为三轴应力系数,ξ=γ为上覆岩层容重平均值,取25 kN/m3;H为上覆岩层的高度,取412.51 m。
将参数代入公式4中,计算得到x1为6.51 m。
2.2.2 W4302工作面采掘影响产生塑性区的宽度
通常采用圆形巷道受力模型来对围岩塑性区变形情况进行研究,可将围岩受力分析作为弹塑性力学中的平面应变圆孔进行研究,其所受应力主要为水平应力,由此建立的圆形巷道受力模型见图4。
图4 圆形巷道受力模型
图4 中,a表示巷道半径;r,θ表示塑性区边界任一点极坐标;P表示原岩应力。圆形巷道塑性区半径x2的计算公式为:
式中:P为原岩应力,取12.9 MPa;Pi为支护阻力,取480 k P a;a为圆形巷道半径,取2.6 m;φ为围岩内摩擦角,取20°;C为围岩粘聚力,取2.02 MPa。
将各参数代入公式4中,计算得到x2为5.1 m。前述计算结果表明W4301工作面开采后护巷煤柱邻近侧塑性区范围为6.51 m,大于巷道开挖围岩塑性区范围5.1 m,考虑回风顺槽布置完成后,W4302工作面的开采护巷塑性区发育范围将进一步扩展,因此x3同样取值6.51 m。由于前述理论计算没有考虑工作面回采动压影响,而实际塑性区宽度应比理论计算结果大,取采动影响系数D为1.5,则合理煤柱宽度计算公式为:
计算出护巷煤柱合理宽度不应小于31.7 m,取35 m。
W4302回风顺槽布置于3号煤层内,巷道长1 435 m。断面掘宽5 300 mm,掘高3 900 mm,掘断面20.67 m2;净宽5 200 mm,净高3 700 mm,掘断面19.24 m2。如图5所示,在W4302回风顺槽左右两帮共布置8个监测点,顺槽顶底板同样布置8个监测点顶底板对称布置。
图5 巷道围岩监测点分布图
如图5所示,1、3、5、7号监测点布置顺槽左帮,距底板2 m;2、4、6、8号监测点布置在顺槽右帮,距底板2 m;9、11、13、15号监测点布置在顶板中轴线处;10、12、14、16号监测点布置在底板中轴线处。
根据巷道周围测点的布置位置,每天监测巷道两侧和顶底板表面的围岩变形量,记录数据并导入至O rigin软件进行处理,确定围岩表面变化趋势以及支护效果。图6所示为迎采巷道两帮测点位移曲线与变形速率。
图6 迎采巷道两帮测点位移曲线与变形速率
由图6可知,可看出在迎采巷道初始开掘10 d内,两帮变形速率最大,达到2.25 mm/d,10 d后变形速率呈现波动性减小的变化趋势,但两帮整体移近量不断增大,直至开挖60 d后,两帮移近量趋于稳定,变形速率趋近于0,两帮累计移近量大致为90 mm左右。迎采巷道顶底板监测结果如图7所示:
图7 迎采巷道顶底板测点位移曲线与变形速率
由图7可知,迎采巷道顶底板变形时间与两帮基本一致,即迎采巷道开掘后的60 d为围岩位移不断增加,在60 d位移量基本保持恒定,顶底板最终位移量大致为40 mm左右,小于两帮移近量,但迎采巷道开掘40 d内,顶底板移近量均保持不断变化趋势,40 d后顶底板移近量不断减小。
综上所述,现场观测表明迎采巷道两帮及顶底板围岩完整程度较高,围岩表面没有出现明显的裂隙裂缝,表明护巷煤柱宽度取35 m较为科学合理,可以满足巷道围岩控制和正常使用要求。
本文在分析迎采巷道护巷煤柱稳定性主要影响因素的基础上,利用理论研究的方法对护巷煤柱合理宽度进行计算,得出护巷煤柱合理宽度不应小于31.7 m,设计W4302回风顺槽护巷煤柱宽度取值为35 m。利用现场矿压监测的手段,在回风顺槽左右两帮共布置8个监测点,顺槽顶底板同样布置8个监测点顶底板对称布置。现场监测结果表明,巷道围岩变形在开挖60 d后可以基本趋于稳定,两帮累计移近量大致为90 mm左右,顶底板最终位移量大致为40 mm左右,迎采巷道围岩完整程度较高,表面没有出现明显的裂隙裂缝,因此护巷煤柱宽度取值较为科学合理,可以满足巷道围岩控制和正常使用要求。