工作面回采和巷道掘进是煤矿生产过程中的两个重要环节,二者具有相互协调、相互配合的关系。一般情况下,为了防止回采巷道受到邻近工作面采动影响,通常在工作面采动影响稳定之后,再掘进下一个工作面的回采巷道。近年来,大批煤矿相继出现了工作面回采巷道掘进进度不足导致采煤工作面接替不上的问题,为了短时间内进行补救,需将回采本工作面和掘进下一个工作面的回采巷道同时进行,此时称掘进巷道为迎采动面沿空掘巷。
针对沿空掘巷留窄煤柱,众多学者进行了大量研究,李学华等[1]总结分析了影响窄煤柱变形失稳的主要因素,明确了各因素的影响效果,认为煤柱宽度与高度之比越小越不利于煤柱自身的稳定;宋朝部[2]对松软厚煤层区段煤柱宽度进行了研究,分析了煤柱内部的应力分布及主应力差。张科学等[3]、孙东飞等[4]、王志强等[5]采用数值模拟,对比分析了不同宽度煤柱所受应力及巷道围岩变形,确定了沿空掘巷窄煤柱宽度。薛康生等[6]根据弹性核理论和内外应力场理论,结合数值计算分析确定了沿空巷道煤柱尺寸。
在迎采巷道研究方面,康继忠等[7]通过研究煤柱侧向支承应力分布、塑性区分布、顶板挠度值分布,确定了迎采掘进窄煤柱宽度。张农等[8]分析了迎采动面沿空掘巷所处不同阶段时巷道围岩的稳定性。于洋等[9]研究了迎采沿空掘巷上覆岩层运动及围岩变形的时间空间效应。孟海东等[10]、郝长胜等[11]研究了不同煤柱宽度条件下迎采动沿空掘巷窄煤柱垂直应力分布和巷道围岩变形规律。
以上研究大多以普通沿空掘巷为主,而对大采高大断面迎采动条件下沿空掘巷鲜有研究,本文以理论计算为基础,结合数值模拟系统研究了山西马堡煤矿15202迎采巷道窄煤柱留设宽度,并为巷道安全维护给出了合理的支护建议。
1 工程概况
山西马堡煤矿核定产能150 Mt/a,目前主要开采15#煤,煤层平均厚度5.2 m,平均倾角为8°.15204工作面所采煤层为15#煤层,位于152采区下山西北侧,拟采用一次采全高,全部垮落法管理顶板。
15202工作面与15204工作面相邻,为解决采掘接替紧张的问题,现计划在15204工作面推采的同时,进行15202运输顺槽的掘进作业,因此15202运输顺槽掘进称为迎采沿空掘巷。工作面巷道布置如图1所示,工作面顶底板情况如表1所示。
表1 15204工作面顶底板情况
Table 1 15204 working face roof and floor situation
名称岩石层厚/m岩性特征老顶细砂岩8.2浅灰色,泥质胶结,质硬直接顶泥岩6.8深灰色,厚层状,致密性脆,具节理,均匀状层理,含植物化石碎片伪顶砂质泥岩0.2深灰色,薄层状,砂质分布均匀直接底铝质泥岩1.3浅灰色,性硬具节理,含植物化石碎屑,局部可见滑动面,含黄铁矿结核老底砂质泥岩5.6灰色性硬,分布黄铁矿结核
图1 巷道平面布置图
Fig.1 Roadway layout plan
2 迎采沿空巷道留设煤柱理论宽度计算
2.1 应力极限平衡区计算
如图2所示,巷道开挖后,引起周围应力的重新分布,煤柱自边缘至深部逐渐形成破碎区、塑性区、弹性区,位于破碎区和塑性区的这部分煤体应力处于极限平衡状态,应力极限平衡区宽度x0的计算如下[12]。
图2 应力极限平衡区计算简图
Fig.2 Calculation diagram of stress limit equilibrium zone
(1)
式中:m为工作面采煤高度,5.2 m;A为侧压系数;φ0为煤层内摩擦角,37°;K为应力集中系数,2;γ为煤层上覆岩层平均体积力,0.025 MN/m3;H为15#煤层埋深,m;C0为煤体黏聚力,2.28 MPa;Px为上区段工作面巷道煤帮的支护阻力,0.1 MPa.由15204工作面的地质情况并根据计算得出,x0=3.40 m.
为了保证巷道的稳定性,留设煤柱宽度还需考虑巷道锚固支护的因素[13-14],煤柱内部要存在弹性区以便于锚杆的锚固。因此,煤柱宽度应满足:
B=x0+x1+x2.
(2)
式中:x0为煤柱破坏范围,根据上述计算为3.40 m;x1为锚杆有效长度,2.0 m;x2为考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定系数[15],按0.2(x0+x1)计算,m;经计算,B=6.48 m,见图3.
图3 窄煤柱宽度计算图
Fig.3 Narrow coal pillar width calculation diagram
2.2 内外应力场理论
如图4所示,上工作面回采后,直接顶垮落,老顶破断形成铰接结构,采场上覆岩层对煤柱和巷道围岩的应力由老顶传递,故老顶铰接结构的稳定性对煤柱和巷道围岩稳定起重要作用。老顶断裂时,支承压力明显分为两个部分,即在岩块B破断线至煤壁间的内应力场S1和岩块B破断线至煤体深处的外应力场S2.
图4 内外场应力模型
Fig.4 Internal and external stress field model
内应力场宽度范围满足下式[4]:
(3)
式中:ρ为老顶岩层密度,2.5 t/m3;g为重力加速度,取10,m/s2;a为回采工作面宽度,220 m;M为老顶高度,8.2 m;y1为煤体压缩量,0.9 m;L为老顶初次来压步距,52.97 m;G为煤体刚度,1.1×106kPa.经计算S1=14.47 m.
为了煤柱和巷道的稳定及便于维护,煤柱和巷道应位于内应力场,内应力场范围与煤柱、巷道宽度应满足:
B≤S1-L1.
(4)
式中:B为煤柱宽度;L1为巷道宽度,5.5 m,根据(3)式的计算结果,B最大值为8.97 m.
根据极限应力平衡理论算出煤柱宽度最小值为6.48 m,内外应力场理论得出煤柱宽度最大值为8.97 m,所以理论计算煤柱合理宽度范围是6.48～8.97 m.
3 迎采沿空掘巷数值模拟研究
3.1 数值模拟方案
以15204工作面现场资料为基础,采用FLAC3D数值模拟软件,各岩层力学参数详见表2.建立模型的尺寸为225 m×250 m×70 m,模拟工作面宽度110 m,推进长度150 m,在模拟区域四周各加50 m煤柱以消除边界应力的影响,最终建立模型如图5所示。模型采用莫尔-库仑准则,固定模型底面和四周,对模型上部表面施加1.4×107Pa应力模拟上覆岩层的重量。根据上述极限应力平衡理论和内外应力场理论计算得出煤柱合理宽度范围为6.48～8.97 m.为了更好地确定煤柱的合理宽度,利用数值计算分别模拟留设煤柱宽度为5 m、6 m、7 m、8 m、9 m时的应力分布特征、塑性区分布情况及围岩变形规律。
表2 岩层力学性质参数
Table 2 Mechanical property parameters of rock strata
岩层容重/(N·m-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa内聚力/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/(°)泥岩2 3002.701.436.462.2029石灰岩2 1002.431.397.302.6633粉砂岩2 5604.441.599.912.3226细砂岩2 5506.292.252.206.0030砂质泥岩2 4002.971.536.442.0229煤1 4401.901.202.281.5037铝土质泥岩2 5004.001.658.202.5032
图5 数值计算模型
Fig.5 Numerical calculation model
数值模拟过程为:建立模型→初始应力平衡→开挖(支护)15204回风顺槽→同时开挖15202运输顺槽和回采15204工作面,采掘相向而行,工作面每次推进10 m,巷道每次开挖10 m,模拟推进长度150 m,分15次开挖。
3.2 不同煤柱宽度条件下垂直应力分布特征
由图6可以看出,不同宽度煤柱内部垂直应力分布有显著差异,当煤柱为5～6 m时,应力集中发生在煤柱中部,应力集中范围占比较大;煤柱宽度为7～9 m时,应力集中在煤柱靠回采工作面侧方,随着煤柱宽度的增大,垂直应力不断减小,应力集中范围占比不断减小,说明煤柱承载能力越来越好[16]。
图6 不同煤柱宽度垂直应力云图
Fig.6 Vertical stress cloud diagram of different coal pillar widths
图7表示在采掘应力叠加影响时,不同煤柱宽度条件下,煤柱内部垂直应力分布。由图7可以得出,受侧向支承压力的影响,煤柱内靠工作面侧产生了显著的应力集中现象,煤柱应力分布均呈单峰形状。煤柱宽度为5～6 m时,煤柱应力先急剧升高再快速降低,呈锐角形,单峰结构,此时煤柱承受压力较大,窄煤柱面临很大的破坏风险。煤柱宽度为7～9 m时,垂直应力出现了明显下降,煤柱受力逐渐出现了马鞍形分布的特征,受力进一步缓和[17]。
图7 不同宽度煤柱内垂直应力分布曲线
Fig.7 Vertical stress distribution curve, in coal pillars with different widths
图8为煤柱宽度与煤柱内部垂直应力峰值的关系,分析可知,不同宽度煤柱峰值应力均大于原岩应力,随着煤柱宽度的不断增加,煤柱应力峰值不断减小,当煤柱宽度由5 m增加至7 m时,煤柱应力峰值从60.61 MPa降为51 MPa,下降最为显著,此后随着煤柱宽度的增加,垂直应力峰值变化较小。因此,从煤柱应力分布规律分析,煤柱合理宽度应在7 m及以上。
图8 不同煤柱垂直应力峰值
Fig.8 Peak stress of different coal pillars
3.3 巷道围岩变形与煤柱宽度的关系
如图9所示,煤柱宽度为5～7 m时,巷道顶板下沉量从168.5 mm降低至141.4 mm,下降了16%;煤柱帮变形从98.16 mm下降到32.21 mm,下降了67.2%;7 m之后,随着煤柱宽度的增加,巷道顶板下沉量和煤柱帮变形逐渐趋于稳定。不同煤柱宽度对巷道煤柱帮和顶板的变形量影响很大,对底板和实体煤帮影响较小。根据巷道围岩变形量分析,煤柱合理宽度应在7 m及以上。
图9 不同煤柱巷道围岩变形量
Fig.9 Different coal pillar roadway surrounding rock deformations
3.4 煤柱宽度对塑性区分布的影响
图10为采掘应力叠加影响时,不同煤柱宽度条件下,煤柱内部塑性区分布情况。煤柱为5 m时,煤柱塑性破坏区与巷道塑性破坏区贯通,连成一片,此时煤柱整体处于塑性状态,在回采过程中极易出现失稳破坏,影响工作面安全生产;当煤柱增大为6 m时,煤柱塑性区分布特征虽然有所改善,但是煤柱内部非塑性区域面积较小,工作面回采过程中煤柱发生失稳破坏的概率较大;当煤柱宽度为7 m后,煤柱内部弹性区域的面积增大,此时煤柱具有一定的承压能力。
图10 不同宽度煤柱塑性区分布
Fig.10 Distributions of plastic zone in different width coal pillars
综上,通过数值模拟研究表明,煤柱宽度为7～9 m时,能够满足工作面安全生产需求,根据最小煤炭损失原则,最终煤柱合理宽度确定为7 m.
4 巷道围岩控制方案
为了研究煤柱宽度为7 m时,不同时期采掘活动对煤柱的影响,并据此确定迎采巷道的支护方案[18]。在数值模拟过程中,在不同位置选取3个具有代表性的测点,监测其在对采对掘过程中垂直应力变化,测点布置示意图如图11所示,所得应力监测曲线如图12所示。
图11 测点布置
Fig.11 Measurement point layout
图12 不同位置应力变化规律
Fig.12 Stress variations at different positions
70测点位于靠近掘进工作面始掘侧,采掘初期,70测点仅受到巷道掘进的影响,巷道掘进0～30 m时,此时煤柱刚刚形成,垂直应力持续增大,从20.36 MPa增加至27.08 MPa;巷道掘进30～120 m时,此时70测点已不受巷道掘进的影响,且工作面推采距70测点还有相当的距离,煤柱垂直应力变化较小;巷道掘进100～150 m时,70测点受到回采工作面推进的影响,垂直应力从29.9 MPa增加到41.93 MPa.
125测点位于巷道的中部,采掘初期,125测点既不受巷道掘进影响,也不受回采工作面推进影响,垂直应力几乎无变化;巷道推进至60 m时(采掘间隔30 m),125测点同时受到采掘的影响,应力值呈直线上升,变化显著,直至巷道推进至90 m(采掘间隔-30 m)时,垂直应力从21.09 MPa上升至44.21 MPa;之后,125测点不受采掘的影响,应力变化较小,并逐渐趋于稳定。
180测点位于靠近回采工作面始采侧,采掘初期,180测点仅受到回采工作面推采的影响,由于此阶段巷道尚未掘进至此,煤柱尚未形成,回采工作面的扰动应力分散在实体煤上,180测点应力持续增大;采掘后期,巷道沿采空区掘进,180测点受巷道掘进的影响,应力由31.51 MPa增加至40.43 MPa.
70测点和180测点的位置是对称的,二者应力变化大小和趋势基本相同,表明巷道两端无论是先采后掘还是先掘后采,应力大小及变化规律是相近的,可以对这两部分采取相同等级的支护方案;125测点应力变化表明,采掘同时影响的应力叠加范围为采掘相距30 m至滞后30 m,125测点较其他两个测点应力值较大且变化明显,在设计巷道支护时,应加强对采掘应力叠加影响区域的支护。
图13表示15202运输巷道不同位置的围岩变形量。由图可以看出,巷道顶底板变形曲线呈抛物线形,表明在巷道中部,受采掘应力叠加影响,巷道顶底板变形量达最大值;巷道两帮变形曲线呈水平直线形,说明巷道围岩变形呈对称分布,迎采掘进对巷道顶底板变形影响较大,对巷道两帮影响较小,在设计支护时,应加强对采掘应力叠加影响阶段巷道顶底板的管理。
图13 不同位置的围岩变形量
Fig.13 Deformations of surrounding rock at different positions
5 结论
1) 根据极限平衡理论和内外应力场理论,计算了迎采沿空巷道煤柱宽度的最大值和最小值,留设煤柱的合理宽度范围为6.48～8.97 m[19].
2) 数值模拟结果表明:随着煤柱宽度的增加,煤柱承载能力增大,综合考虑不同宽度煤柱下应力峰值降低趋势、巷道围岩变形、塑性区分布及最小煤炭损失原则,确定迎采沿空巷道煤柱宽度为7 m.
3) 通过对煤柱不同位置在采掘全过程中的垂直应力和巷道围岩变形情况分析,确定了巷道围岩变形呈对称分布,在采掘相距30～-30 m时,该阶段巷道顶底板变形最大,应对此区域加强支护。
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