马晓博,高文博,鲍银辉,张宏升
(陕西黄陵二号煤矿有限公司,陕西 延安 727307)
工作面煤层回采过程中,区段煤柱、工作面多巷布置隔离煤柱的留设宽度较大时,将会降低矿井的煤炭资源回收效率[1-2]。在厚煤层开采条件下,煤柱的留设宽度对于巷道的稳定性也有直接影响[3-5]。在以往的研究过程中,国内外学者通过煤柱强度理论、极限平衡理论、数值模拟方法[6-9]重点研究了煤柱留设在薄煤层中的应用,并已发展为成熟的技术体系。然而对于厚煤层的留巷支护稳定性仍存在较多问题[10-12]。因此,以黄陵二号煤矿厚煤层为例,通过数值模拟与工程实测方法探究煤柱留巷的围岩变形特征,以丰富厚煤层煤柱留设技术。
煤柱留设方式按照矿压的分布规律主要分为2种情况。一种是上区段回采结束后,矿压重新分布并达到平衡状态,在实体煤层中形成从低压向高压的过渡区域,巷道根据煤柱承压性能布置在过渡区域的适合位置。另一种是上区段开采之前下区段顺槽同时掘进成巷,然而当巷道掘进与工作面回采同时进行,将会导致强烈的应力耦合作用。因此,煤柱留设尺寸与留设方式需根据矿井实际情况进行确定。
煤柱的留设宽度与矿山压力显现状态、煤层的顶板岩性特征、矸石堆的充填程度、围岩的支护结构等具有直接或间接的关系。目前在我国的巷道煤柱留设尺寸主要为3～6 m,然而在厚煤层开采条件下,此种留设尺寸无法进行有效护巷。因此,为确定黄陵二号煤矿厚煤层条件下煤柱的合理留设尺寸,采用数值模拟方法建立了不同煤柱尺寸的数值模型进行计算分析,同时辅助矿山压力监测设备对矿压的显现规律进行评判与研究。
为探究不同煤柱留设尺寸下的巷道围岩变形规律,对黄陵二号煤矿303工作面辅运巷与采空区进行建模。为消除数值模拟建模的边界效应,模型设计尺寸为巷道与采空区尺寸的3～5倍,根据工程地质条件,建立了210 m×120 m(宽×高)的二维模型,以2 m为间隔点,设置煤柱尺寸范围为4～30 m,共计11组数值计算模型,研究顶底板、两帮壁应力值与位移演化规律。模型底部沿垂直方向设置固定边界,其他各面均沿水平方向设置为固定边界。水平、垂直和竖向位移均为0。模型上部施加边界载荷,按500 m埋深均匀推算等效岩体自重压力,数值模拟的岩性参数见表1。
表1 数值模拟岩性参数Table 1 Numerical simulation lithology parameters
由于模型较多,为简化分析,选取具有代表性的3组模型对围岩应力分布状态进行探究,分别为10 m、14 m、18 m煤柱尺寸模型。
如图1与图2所示,当巷道的煤柱留设宽度为10 m时,在巷道的右上方存在明显的应力集中现象,煤柱的右下方边角与右上方边角存在应力集中区,具有发生单侧压剪破坏的风险。当煤柱尺寸增加至14 m时,煤柱的承压性能显著提高,煤柱全区域内承受的支承压力降低,围岩的稳定性较好,有利于围岩的日常维护。当煤柱的宽度为18 m时,采空区覆岩应力与巷道顶底板的应力相比于煤柱宽度为14 m时发生了二次升高,表明煤柱承受的压力向两侧进行了转移,煤柱的应力明显降低,但其向两侧巷道与采空区分散的应力增加,不利于巷道顶底板的维护。
图1 不同煤柱宽度下围岩垂直荷载云图Fig.1 Vertical load cloud diagram of surrounding rock under different coal pillar width
图2 不同煤柱宽度下围岩水平荷载云图Fig.2 Horizontal load cloud of surrounding rock under different coal pillar width
为探究不同煤柱尺寸对围岩应力与位移的影响。绘制4～30 m煤柱尺寸模型的应力峰值与位移峰值演化曲线如图3、图4所示。从围岩的应力峰值点演化趋势中可以看出,当煤柱尺寸在6 m时,应力达到极大值点。煤柱尺寸在12～18 m时,水平和垂直方向的荷载变化小,处于荷载低谷位置,随着煤柱尺寸的继续增加变化幅度较为平稳。当煤柱尺寸为4～8 m时,巷道顶板与两帮变形已达到最大收敛,从10～18 m煤柱,两帮可以控制收敛由大向小逐渐转变,18～25 m煤柱,收敛量由小向大转变。综上可知,根据围岩位荷载和变形量的比较,煤柱尺寸在12～18 m变化值范围最小,煤柱尺寸在此区段最为合理。最终确定黄陵二号煤矿303辅运巷的煤柱留设尺寸为15 m。
图3 不同煤柱尺寸下应力峰值点曲线Fig.3 Stress peak point under different coal pillar sizes
图4 不同煤柱尺寸下位移峰值点曲线Fig.4 Displacement peak point under different coal pillar sizes
为探究黄陵二号煤矿煤柱留巷的矿压显现规律,验证煤柱留设尺寸的合理性,对锚索的应力状态、顶板的离层量与巷道围岩的现场变形特征进行监测。经过数据筛选,选取2月28日—5月21日的数据进行分析。2月28日开始监测时,303工作面距离四联巷450 m。5月21日结束监测时,推采过四联巷200 m,图5为不同测点位置的锚索荷载监测变化曲线。工作面距四联巷220 m左右的时,锚索测力计开始变化,逐渐表现为应力上升的趋势,说明回采动压超前影响范围为220 m左右。黄陵二号煤矿303工作面距四联巷-50～75 m,锚索所受应力出现快速攀升,上升幅度约为100 kN。当工作面回采过后50 m,锚索所受应力趋于稳定状态,表明黄陵二号煤矿303工作面的煤柱留巷的稳定性满足围岩的支护控制需求。
图5 锚索应力监测曲线Fig.5 Anchor cable stress monitoring curve
为进一步验证煤柱留巷尺寸在黄陵二号煤矿303工作面的适用性,对顶板的离层量进行检测,以工作面开切眼位置为原点,在距离开切眼2 m、15 m、22 m、33 m位置分别布置离层仪进行监测,绘制顶板离层量随工作面推进距离的演化曲线如图6所示。随着工作面距离四联巷的距离变化,在-300 m与-100 m距离时,顶板的离层量发生变化,证明此时顶板岩层已受到扰动应力的影响,当工作面靠近四联巷时,顶板离层量发生快速攀升,在工作面推过四联巷50 m时,顶板离层量达到稳定状态,演化趋势与图5所示的锚索应力监测曲线较为相似。由于工作面回采巷道采掘扰动的影响,在不同的监测位置,均存在由巷道开挖导致的10～20 mm的初始离层,随着测点位置的不同,顶板的离层量幅度也具有显著差异,整体表现出先上升后下降的趋势,在15 m测点时离层量达到峰值,深基点的离层量约为75 mm,浅基点的离层量约为67 mm。在33 m测点时,离层量达到最小值,深基点的离层量约为22 mm,浅基点的离层量约为17 mm。
图6 顶板离层量监测曲线Fig.6 Monitoring curve of roof delamination volume
图7为巷道围岩支护变形图。可以看出,联络巷的围岩变形程度较低,同时支护结构几乎不产生变形。煤柱的围岩变形程度较低,支护结构的锈蚀较为严重,但不影响支护结构的稳定性。采面侧受工作面回采过程中矿山压力的扰动程度较高,围岩的变形程度较高。
图7 巷道围岩支护变形图Fig.7 Deformation diagram of roadway surrounding rock support
综上分析可知,煤柱侧支护采用端锚长锚杆与自旋锚注管全长锚固结合,效果非常显著,能够较好地控制围岩。下一步可以继续采用这种方式。采面侧采用端锚长锚杆与短玻璃钢锚杆结合,控制效果明显不如煤柱侧,尤其是玻璃钢锚杆的控制能力明显不足。后期二次矿压可能会破坏部分玻璃钢锚杆。是否需要再次补强还要根据二次矿压强度和监测分析决定。护帮钢筋网片的锈蚀十分严重,3～5个月网片钢筋锈蚀就会脱皮掉渣,而镀锌铁丝网短期防护效果显著,长期锈蚀有突变性。因此,下一步需要采取能够防腐的网片。黄陵二号煤矿应用煤柱留巷的303辅运巷围岩具有一定程度的变形,但不影响工作面的安全生产,验证了厚煤层煤柱留巷技术的可行性。
(1)以2 m为间隔点,对煤柱尺寸为4～30 m的11组数值模型进行计算,举例分析了10 m、14 m、18 m煤柱尺寸模型的围岩应力分布状态,当巷道的煤柱留设宽度为10 m时,具有发生单侧压剪破坏的风险。当煤柱尺寸为14 m时,煤柱全区域内承受的支承压力降低,围岩的稳定性较好。当煤柱尺寸为18 m时,煤柱承受的压力向两侧进行了转移,巷道与采空区承受的应力增加。
(2)对4～30 m的煤柱尺寸的应力峰值与位移峰值进行分析。当煤柱尺寸在6 m时,达到应力的极大值点;煤柱尺寸在12～18 m时,处于荷载低谷位置,随着煤柱尺寸的继续增加变化幅度较为平稳;煤柱尺寸在12～18m变化值范围最小,最终确定煤柱尺寸为15 m。
(3)对锚索应力与顶板离层量进行监测,回采动压超前影响范围为220 m。工作面距离四联巷-50～75 m范围为矿压快速显现阶段。工作面回采过后50 m,锚索应力与顶板离层量趋于稳定,验证了黄陵二号煤矿303工作面的煤柱留设尺寸满足围岩的支护控制需求。
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