緩傾斜煤層區(qū)段煤柱合理寬度留設(shè)數(shù)值模擬研究

胥克俊

(中電投寧夏青銅峽能源鋁業(yè)集團，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750000)

在煤礦開采過程中，根據(jù)地質(zhì)條件及回采要求，區(qū)段平巷的布置往往采用雙巷布置，并通過留設(shè)一定寬度的煤柱對兩條巷道進行保護。目前，通過留設(shè)煤柱保護采準巷道仍是我國許多煤礦采取的主要的護巷方法，區(qū)段煤柱留設(shè)寬度是煤柱穩(wěn)定性和巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。由于各礦井地質(zhì)條件、水文條件和開采方法差異較大，區(qū)段煤柱留設(shè)寬度的取值以及確定方法也不盡相同。煤柱尺寸太小會使頂板難以支撐，使下區(qū)段回風平巷圍巖發(fā)生較大的變形破壞，且可能導(dǎo)致上一個工作面回采后產(chǎn)生的采空區(qū)積水涌入，以及冒落矸石竄入下一工作面；區(qū)段煤柱寬度過大又會造成煤炭資源的損失過大，從安全生產(chǎn)和資源節(jié)約方面考慮都要求區(qū)段煤柱有合理的留設(shè)寬度。

目前我國許多礦區(qū)在緩傾斜和傾斜煤層條件下普遍采用經(jīng)驗方法或工程類比方法確定煤柱留設(shè)寬度，并通過現(xiàn)場實測煤柱支承壓力分布大小總結(jié)規(guī)律，及時調(diào)整煤柱寬度范圍，或者根據(jù)巖體的極限平衡理論來修正煤柱留設(shè)寬度。本文以紅一煤礦4＃煤層回采巷道區(qū)段煤柱為研究對象，借助UDEC數(shù)值計算手段，研究不同寬度下經(jīng)歷巷道掘進階段和上區(qū)段工作面回采過程中煤柱和兩巷圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律，并將應(yīng)力集中系數(shù)作為煤柱穩(wěn)定性的一個重要依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

紅墩子礦區(qū)紅一煤礦位于寧夏回族自治區(qū)東部，隸屬銀川市興慶區(qū)管轄。根據(jù)煤層分布情況，其首采區(qū)主要可采煤層為4＃煤層和5＃煤層。4＃煤層115采區(qū)位于二疊系山西組 (Ps)，該地段以灰黑色泥質(zhì)粉砂巖、黑色泥巖、黑色粉砂巖、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖為主，巖石硬度系數(shù)f＝2～4，為中等硬度，4＃煤層厚度大部分在1.3～2.0m之間，煤層傾角在15°～25°之間，屬緩傾斜煤層。研究對象為115采區(qū)內(nèi)1150401運輸平巷和1150403回風平巷之間的留設(shè)煤柱，回采巷道留設(shè)煤柱空間布置見圖1。

圖1 回采巷道留設(shè)煤柱空間布置圖

1150401工作面和1150403工作面之間采用雙巷布置方式進行掘進，之后進行1150401工作面回采，因此，兩巷之間的煤柱是安全生產(chǎn)的重要保證。兩巷斷面形狀均為梯形，且沿4＃煤層頂板泥質(zhì)粉砂巖掘進，巷道支護方式為錨網(wǎng)索＋鋼筋梯聯(lián)合支護。

2 數(shù)值模型及模擬方案

2.1 模型建立

根據(jù)紅一煤礦地質(zhì)條件，按實際巖層情況1∶1建立沿巷道剖面方向的平面應(yīng)變模型。雙巷布置階段模型大小為100m×60m (長×高)，模型兩側(cè)面為滑動簡支，底部固支，數(shù)值計算模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型

模型邊界上、下兩巷沿頂板泥質(zhì)粉砂巖掘進，左側(cè)為1150401工作面，右側(cè)為1150403工作面，按煤巖體實際傾角17°建模，巖層性質(zhì)根據(jù)柱狀圖確定。整個模型在左、右及下部均為固定邊界，沒有水平位移，即Sx＝0，Sy＝0，為了計算準確，更加符合實際條件，使z方向測壓系數(shù)為1.0，在模型上部施加垂直應(yīng)力為10.46MPa。模型力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。分析節(jié)理特性時考慮其受采動影響，塊體采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型，節(jié)理采用摩爾—庫倫滑移本構(gòu)模型，巖層的塊度依據(jù)巖層厚度和采動巖體特點進行劃分。

2.2 模擬方案

根據(jù)全國回采實體煤巷道煤柱統(tǒng)計結(jié)果，83.6%以上的煤柱留設(shè)寬度都在5～30m之間，因此，本次設(shè)計選取典型的6種方案進行模擬分析，制定區(qū)段煤柱留設(shè)寬度數(shù)值模擬方案為5m，10m，15m，20m，25m和30m。

回采巷道從開掘到報廢，經(jīng)歷采動引起的圍巖應(yīng)力重新分布過程，圍巖變形持續(xù)增長和變化。尤其是下區(qū)段1150403回風平巷，受到二次采動的影響，圍巖變形要經(jīng)歷巷道掘進影響階段、掘進影響穩(wěn)定階段、采動影響階段、采動影響穩(wěn)定階段和二次采動影響5個階段。因此，對區(qū)段煤柱寬度的研究從兩個方面進行，即雙巷布置階段和1150401工作面回采階段。

3 掘進期間區(qū)段煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

圍巖淺部應(yīng)力狀態(tài)對于巷道整體穩(wěn)定性有著重要影響，因此在煤柱上方 (距煤柱上方0m)和距煤柱上方分別1m、2m、3m、4m分別布置5條應(yīng)力測線，從左到右編號依次為1～30，用來監(jiān)測頂板圍巖淺部應(yīng)力分布及變化規(guī)律。

表1 煤巖層模擬力學(xué)及節(jié)理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.1 應(yīng)力集中系數(shù)對煤柱寬度的影響

應(yīng)力集中主要由雙巷布置及煤柱周圍的工作面回采引起，造成的應(yīng)力峰值與原巖應(yīng)力的比值稱為應(yīng)力集中系數(shù)。通過上一節(jié)建立的UDEC數(shù)值計算模型，對不同方案進行模擬，得到不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)，建立應(yīng)力集中系數(shù)與煤柱寬度之間的關(guān)系，將應(yīng)力集中系數(shù)作為一個影響因素來反映不同取值下煤柱的變化情況，如圖3所示，當應(yīng)力集中系數(shù)較小時，煤柱寬度的增加較慢，當應(yīng)力集中系數(shù)超過一定值 (根據(jù)模擬值約為3)，隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增加，煤柱所承受的應(yīng)力越來越大，必須增大煤柱的寬度來抵抗增加的應(yīng)力。

圖3 應(yīng)力集中系數(shù)對煤柱寬度的影響

通過對不同應(yīng)力集中系數(shù)計算比較得出，隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增大，煤柱寬度增大速度加快，呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)形式。當應(yīng)力集中系數(shù)由1.5增加到3時，煤柱寬度由4.2m增加到6m，增長率為1.4；而當應(yīng)力集中系數(shù)由3增加到4.5時，煤柱寬度由6m增加到13m，增長率為2.3。所以可以將應(yīng)力集中系數(shù)視為影響煤柱寬度的敏感因素。

3.2 垂直應(yīng)力分析

運輸平巷和回風平巷同時掘進時，由于區(qū)段煤柱寬度的不同，應(yīng)力分布情況各異。選取距離頂板2m的應(yīng)力測線監(jiān)測煤柱的垂直應(yīng)力，不同煤柱寬度下垂直應(yīng)力的分布情況如圖4所示。

圖4 不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布

由圖4可知，沿煤柱測線的垂直應(yīng)力以煤柱中心為對稱軸，兩邊基本呈現(xiàn)對稱分布，按照應(yīng)力變化趨勢可以分為兩個類型。

(1)當煤柱＜15m時，屬于增高—降低類型。在這種類型下的煤柱，煤柱中心位置的垂直應(yīng)力最高，并且會出現(xiàn)應(yīng)力核區(qū)域，煤柱長期處于塑性區(qū)域中，很容易發(fā)生破壞，不利于巷道維護。

(2)當煤柱≥15m時，屬于增高—降低—二次增高—二次降低 (馬鞍)類型。兩巷至煤柱內(nèi)3～5m為應(yīng)力急速增高區(qū)，在巷道左右兩側(cè)5～6m，屬于應(yīng)力最高區(qū)域，當煤柱留設(shè)足夠?qū)挄r，煤柱中心位置應(yīng)力有所下降，基本屬于原巖應(yīng)力區(qū)域。此外，煤柱在這一范圍內(nèi)煤柱越窄，其上的應(yīng)力峰值越大，峰值作用的范圍也越大，這主要是此時煤柱破壞嚴重，煤體酥松，不能承受較高的應(yīng)力所致。當煤柱寬度增加到20m以后，峰值逐漸趨于穩(wěn)定，大致在15MPa左右。

同時，通過比較模型頂板布置的6條應(yīng)力監(jiān)測線監(jiān)測應(yīng)力系數(shù)在不同編號處的數(shù)值，可清晰反映應(yīng)力集中及變化情況。留設(shè)煤柱寬度為5m時，測線的垂直應(yīng)力變化劇烈，沒有明顯規(guī)律，時而出現(xiàn)應(yīng)力系數(shù)2.0以上的煤柱區(qū)域；當煤柱留設(shè)寬度達到15m時，應(yīng)力集中系數(shù)開始趨于緩和，大都為1.2～1.5，但仍處于破壞較嚴重的區(qū)域；當煤柱留設(shè)寬度達到20m以上時，應(yīng)力集中系數(shù)基本平緩，在煤柱兩側(cè)5～6m，應(yīng)力集中系數(shù)區(qū)域1.3，煤柱的其余部位基本接近于原巖應(yīng)力。

通過垂直應(yīng)力分析，認為15m是一個分界點，當煤柱留設(shè)寬度＜15m時，煤柱內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力系數(shù)為2.0以上的應(yīng)力核區(qū)域，當煤柱留設(shè)寬度≥15m時，應(yīng)力核區(qū)域逐漸消失，尤其是當煤柱留設(shè)寬度≥20m以后，煤柱的穩(wěn)定性較好。

3.3 水平應(yīng)力分析

選取運輸平巷和回風平巷同時掘進時上下兩巷及煤柱的水平應(yīng)力云圖進行對比分析，表明當煤柱留設(shè)寬度為5m時，由于兩巷之間相互影響，水平應(yīng)力波動很大，在煤柱中間同樣出現(xiàn)應(yīng)力核；當煤柱留設(shè)寬度為10m時，總體變化趨勢趨于穩(wěn)定，但仍然出現(xiàn)波動；當煤柱留設(shè)寬度≥15m，水平應(yīng)力基本沒有變化且規(guī)律基本一致，不會因為煤柱留設(shè)寬度不同而對水平應(yīng)力的重新分布造成太大影響。雙巷掘進期間留設(shè)不同煤柱寬度時煤柱應(yīng)力特征見表2。

表2 留設(shè)不同煤柱寬度時的煤柱應(yīng)力特征數(shù)據(jù)

通過對掘進期間煤柱和兩巷圍巖應(yīng)力分布情況進行對比分析，同時根據(jù)煤柱上方圍巖淺部的應(yīng)力集中系數(shù)的變化規(guī)律，得出1150401工作面與1150403工作面的煤柱留設(shè)寬度初步定為15～20m。

4 工作面回采期間煤柱穩(wěn)定性研究

1150403回風平巷屬于采前掘進，即在上區(qū)段工作面回采前該巷道已經(jīng)布置完成，在布置時期，巷道及煤柱周邊圍巖內(nèi)原巖應(yīng)力進行重新分布，當1150401工作面回采期間，由于受到工作面采動影響，煤柱內(nèi)應(yīng)力分布情況再次發(fā)生變化，側(cè)向支承壓力迅速增高。通過對不同寬度煤柱在回采期間應(yīng)力分布情況的數(shù)值模擬，得出煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力及應(yīng)力集中系數(shù)，可以對上一節(jié)提出的煤柱留設(shè)寬度進行驗證，監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 上區(qū)段工作面回采后應(yīng)力匯總表

由表3可知，當煤柱留設(shè)寬度大于10m時，側(cè)向支承壓力在20MPa以下，應(yīng)力集中系數(shù)在1.6以下，到煤柱留設(shè)寬度為20m時，側(cè)向支承壓力為15.5MPa，之后的側(cè)向支承壓力趨于平緩。將不同煤柱寬度的側(cè)向支承壓力進行對比分析，得到回采期間煤柱寬度與側(cè)向支承壓力之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 煤柱寬度與側(cè)向支承壓力之間關(guān)系

由圖5可知，應(yīng)力峰值隨著煤柱寬度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，其關(guān)系符合二次函數(shù)曲線，變化趨勢公式為:

由式 (1)可以看出，煤柱峰值在15～20m以后，應(yīng)力峰值幾乎不變，過大煤柱對于巷道維護作用很小，由此驗證了上一節(jié)初步制定的煤柱留設(shè)寬度在15～20m之間是合理的。

5 結(jié)論

(1)通過分析應(yīng)力集中系數(shù)對煤柱留設(shè)寬度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增大，煤柱寬度增大速度加快，呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)形式，從而確定應(yīng)力集中系數(shù)為煤柱留設(shè)寬度敏感因素。

(2)通過對頂板淺部圍巖監(jiān)測可知，沿煤柱測線的垂直應(yīng)力以煤柱中心為對稱軸，兩邊基本呈現(xiàn)對稱分布，按照應(yīng)力變化趨勢可以分為如下兩個類型:當煤柱＜15m時，屬于增高—降低類型；當煤柱≥15m時，屬于增高—降低—二次增高—二次降低 (馬鞍)類型。同時，在煤柱＞15m后，水平應(yīng)力基本沒有變化且規(guī)律基本一致。

(3)對上區(qū)段工作面回采時煤柱的穩(wěn)定性進行分析可知，煤柱峰值在15～20m以后，應(yīng)力峰值幾乎不變，而過大煤柱對于巷道維護作用很小，從而最終確定合理的煤柱留設(shè)寬度為15～20m之間。

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