張　航，戴廣龍,2

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

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易自燃煤層沿空掘巷留小煤柱合理寬度研究

張航1，戴廣龍1,2

(1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

[摘要]為了防止因易自燃煤層沿空掘進(jìn)留設(shè)小煤柱護(hù)巷而導(dǎo)致工作面采空區(qū)遺煤自燃等災(zāi)害的發(fā)生，基于謝橋煤礦1221(1)工作面的實(shí)際情況，首先根據(jù)極限平衡理論計(jì)算出煤柱的預(yù)留寬度，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別模擬了5m，6m，7m和8m共4種不同寬度小煤柱的垂直應(yīng)力場分布情況；依據(jù)小煤柱細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷與其防漏風(fēng)能力關(guān)系，并結(jié)合巖體損傷過程中的滲流特性得到小煤柱漏風(fēng)距離，以修正小煤柱的留設(shè)寬度。最終得出謝橋煤礦易自燃煤層1222(1)工作面應(yīng)留設(shè)煤柱寬度為7～8m，并通過現(xiàn)場實(shí)踐檢驗(yàn)了小煤柱寬度留設(shè)的合理性。

[關(guān)鍵詞]易自燃；沿空掘巷；小煤柱；理論計(jì)算；數(shù)值模擬

Reasonable Width of Small Pillar of Gob-side Entry Driving in Inflammable Coal Seam

大量工程實(shí)踐表明，在煤炭開采過程中應(yīng)用沿空掘巷留小煤柱護(hù)巷技術(shù)不僅有利于巷道圍巖的穩(wěn)定，還能提高煤炭采出率，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。然而在沿空掘巷時(shí)留設(shè)的小煤柱寬度是否合理對沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性和工作面回采過程中煤炭自然發(fā)火有很大的影響，如果留設(shè)的小煤柱寬度偏大造成資源浪費(fèi)，偏小不僅會造成巷道維護(hù)困難，支護(hù)成本高，更為嚴(yán)重的可能會使沿空巷道與相鄰采區(qū)側(cè)的小煤柱產(chǎn)生大量裂隙、漏風(fēng)使采空區(qū)遺煤自燃。因此確定小煤柱合理寬度成為制約相鄰工作面安全高效生產(chǎn)的重要因素。在先前的相關(guān)理論研究中，沿空掘巷留設(shè)小煤柱合理寬度的確定主要是通過先分析該煤柱上覆巖層的巖性、厚度以及開采擾動系數(shù)和采空區(qū)對煤柱的側(cè)向約束力等從而得到煤柱所承受的載荷，通過類比法和經(jīng)驗(yàn)公式推算出要承受相應(yīng)載荷所必需的煤柱寬度。該方法僅考慮了預(yù)留煤柱對上覆煤巖層的支撐作用，而未考慮到因預(yù)留煤柱寬度較小而易使風(fēng)流通過煤柱裂隙滲流到采空區(qū)，使采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃等問題。因此，本文以謝橋煤礦易自燃煤層1222(1)工作面防滅火工程項(xiàng)目為研究背景，首先通過極限平衡理論計(jì)算出小煤柱寬度[4-8]，再依據(jù)小煤柱細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷與其防漏風(fēng)能力關(guān)系，并結(jié)合巖體損傷過程中的滲流特性得到小煤柱漏風(fēng)距離，最后通過數(shù)值模擬分析，綜合確定了合理的小煤柱留設(shè)寬度，并經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證了此次小煤柱寬度的留設(shè)對巷道支護(hù)和防止煤炭自燃都有很好的效果。

謝橋煤礦1222(1)工作面煤層屬于Ⅱ類自燃煤層，煤炭自然發(fā)火期為72d，煤層傾角為13°，煤層均厚為2.4m，底板標(biāo)高-457.8～-559.6m；工作面走向長度為2811m，傾斜長度為295.7m，回風(fēng)巷道煤層底板標(biāo)高為-457.8～-492.6m，運(yùn)輸巷道煤層底板標(biāo)高為-535.3～-559.6m。

1小煤柱寬度理論計(jì)算

當(dāng)相鄰區(qū)段工作面回采后，直接頂冒落基本頂下沉，基本頂?shù)膹澢冃?、斷裂最終形成穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致采場周圍應(yīng)力重新分布，側(cè)向支承壓力使采空側(cè)煤體發(fā)生變形，煤體邊緣逐漸產(chǎn)生破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，如果煤柱寬度過小，煤柱將全部處于破碎區(qū)和塑性區(qū)，則不能保證沿空巷道的穩(wěn)定，巷道維護(hù)困難。因此留設(shè)的合理小煤柱寬度應(yīng)大于采空側(cè)煤體因工作面回采而發(fā)生損傷破壞形成的破碎區(qū)和塑性區(qū)寬度。小煤柱寬度計(jì)算示意如圖1所示。

圖1　合理小煤柱寬度示意

小煤柱寬度計(jì)算如式(1)所示，式中x1，x3分別由公式(2)，(3)求得。

B=x1+x2+x3

(1)

(2)

x3=(0.15～0.35)×(x1+x2)

(3)

式(1)中，B為小煤柱寬度，m；x1為相鄰工作面開采在本區(qū)段形成的破碎區(qū)和塑性區(qū)寬度；x2為錨桿支護(hù)的有效長度，取2m；x3為考慮安全系數(shù)而增加的合理寬度。

式(2)中，m為上區(qū)段平巷高度，取2.8m；A為測壓系數(shù)，取0.42；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取32°；C0為煤體黏聚力，取1.26MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)，取2；H為巷道埋藏深，取480m；r為煤層平均重力密度，取25kN/m3；P0為側(cè)向約束力，相鄰已采面采空側(cè)P0=0。

將上述數(shù)值代入式(2)得：x1=3.8m；代入公式(3)得x3的取值范圍為0.87～2.03m；將兩數(shù)值代入公式(1)，得到合理的小煤柱寬度為6.7～7.9m。

2小煤柱漏風(fēng)距離分析

煤體是一種由固體物質(zhì)組成并含有大量微小空隙的物質(zhì)，當(dāng)煤柱受上覆巖層應(yīng)力作用時(shí)，煤柱內(nèi)的細(xì)觀損傷逐漸發(fā)育[9-12]，并逐步形成各級裂隙網(wǎng)絡(luò)，極大地提高了煤體的滲透能力，最終增加了煤柱的有效漏風(fēng)距離。

為分析得到煤柱的有效漏風(fēng)距離與煤柱所受載荷大小的關(guān)系，通過工程實(shí)踐研究，建立了多種巖石應(yīng)力—應(yīng)變—滲流系數(shù)關(guān)系方程，并應(yīng)用毛素管模型進(jìn)行方程擬合[13]，得到巖體滲流系數(shù)與壓力的關(guān)系方程：

(4)

式中，Kf為受應(yīng)力作用后巖體滲透系數(shù)；K0為原始巖體滲透系數(shù)，取煤的滲透系數(shù)K0=1cm/s；a為拉應(yīng)力和零應(yīng)力對滲透系數(shù)的影響耦合參數(shù)，此處取a=180；b為高壓應(yīng)力時(shí)對滲透系數(shù)的影響耦合參數(shù)，此處取b=10；σ為巖體所受有效應(yīng)力，MPa。

對于風(fēng)流在煤體孔隙中滲流規(guī)律可用達(dá)西定律來描述，表達(dá)式為：

K=QL/ΔPF

(5)

式中，Q為單位時(shí)間流量，m3/t；K為滲透系數(shù)；L為滲流路徑長度，m；ΔP為斷面所受壓力，Pa；F為斷面面積，m2。

在風(fēng)流經(jīng)過巷道時(shí)，流體對巷道壁產(chǎn)生壓力，在風(fēng)流流速不變的情況下，壓力是恒定的，在回采巷道中風(fēng)流所受阻力主要由巷道壁和風(fēng)流的摩擦決定，若設(shè)其摩擦系數(shù)為μ，則：

f=μFa

(6)

式中，f為摩擦阻力，N；Fa為單位面積巷道壁所受壓力，N。

根據(jù)通風(fēng)安全學(xué)中對巷道摩擦風(fēng)阻Rf給出的計(jì)算式：

Rf=αLfU/S3

(7)

式中，α為摩擦阻力系數(shù)；Lf為巷道長度，m；U為巷道周長，m；S為巷道斷面積，m2。

令Rf≈f，μ≈a，則得到：

Fa=LfU/S3

(8)

若在單位長度的巷道中，即Lf≈1時(shí)，

ΔP=Fa/Sa

(9)

式中，Sa為巷道內(nèi)表面積。

聯(lián)立公式(4)～(9)，得：

(10)

如果L>B，則煤柱體漏風(fēng)，需要對煤柱體留設(shè)寬度進(jìn)行修正；如果L

試驗(yàn)中，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測煤體所受有效應(yīng)力σ=19.2MPa，沿空留巷的巷道周長U=16.25m，斷面積S=14.56m2，進(jìn)風(fēng)斷面積F=10m2，單位時(shí)間內(nèi)的巷道風(fēng)量Q=2.5m3/s，代入公式(10)得出漏風(fēng)路徑長度L=0.8m，小煤柱兩側(cè)的破碎區(qū)和塑性區(qū)寬度x1+x2=5.8m。經(jīng)過上述計(jì)算可得：煤柱預(yù)留寬度B應(yīng)大于6.6m，再考慮到1.1～1.2的安全系數(shù)，因此預(yù)留煤柱寬度應(yīng)為7～8m。

3數(shù)值模擬分析

3.1FLAC3D模型的建立

為了分析1222(1)工作面沿空掘巷時(shí)留設(shè)的小煤柱的受力情況與煤柱寬度的關(guān)系，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對留設(shè)5m，6m，7m，8m共4種不同寬度的小煤柱在工作面回采時(shí)的垂直應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬，根據(jù)工作面回采后上覆巖層移動變形的規(guī)律建立三維數(shù)值計(jì)算模型，模型的尺寸為290m×100m×145m(長×寬×高)。

3.2模型力學(xué)參數(shù)的選取和邊界條件

煤系巖體是塑性較強(qiáng)的彈塑性材料，可用近似理想的彈塑性模型模擬。模型的破壞準(zhǔn)則選用mohr-Coulomb準(zhǔn)則，各巖層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型底部邊界固定，位移為零；模型左右邊界約束水平位移；模型頂部為自由邊界。在模型頂部施加11.549MPa 的均勻載荷，等效上覆巖層的自重。模型力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　模型的力學(xué)參數(shù)

3.3模擬結(jié)果分析

工作面回采后，原來處于三軸壓縮平衡狀態(tài)的煤柱體中徑向壓力消失，煤柱體失穩(wěn)并逐漸破裂膨脹體積增大，其應(yīng)力分布的變化會引起煤柱體內(nèi)的裂隙的不斷擴(kuò)展，煤柱體的整體剛度和穩(wěn)定性隨之逐漸降低，并且煤柱體的破壞會隨著時(shí)間逐漸向深部擴(kuò)展。圖2為5m，6m，7m，8m共4種不同寬度小煤柱的垂直應(yīng)力場分布云圖。

從圖2中可以看出小煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力基本沿中間軸線對稱分布，中間位置垂直應(yīng)力較大，兩側(cè)區(qū)域垂直應(yīng)力較小。而當(dāng)小煤柱的留設(shè)寬度不同時(shí)，小煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布會隨之發(fā)生改變。隨著小煤柱寬度從5m增大到8m，其在沿空巷道一側(cè)的應(yīng)力降低區(qū)范圍越來越大，即巷道所承受的載荷變小，煤柱對巷道保護(hù)的力度增加，當(dāng)煤柱寬度大于7m時(shí)，整個(gè)沿空巷道已完全處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，可有效保證巷道支護(hù)安全。

為了進(jìn)一步分析小煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力的分布情況，選取煤柱垂直高度一半的中間層位的垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，圖3為5m，6m，7m，8m共4種不同寬度小煤柱的垂直應(yīng)力場分布曲線圖。

圖2　煤柱垂直應(yīng)力分布

圖3　煤柱垂直應(yīng)力曲線

由圖3可以看出：

(1)小煤柱留設(shè)寬度對小煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布影響較大，當(dāng)煤柱寬度從5m增大到7m時(shí)，小煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值逐漸增大；由34MPa增加到39MPa，增加幅度不大。煤柱寬度為7m和8m時(shí)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力基本相同，最大垂直應(yīng)力約為39MPa。

(2)小煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力大體呈拋物線形分布。當(dāng)小煤柱寬度從5m不斷增大到8m時(shí)，小煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值逐漸向背離沿空巷道一側(cè)移動，即隨著煤柱寬度的增加，沿空巷道所受應(yīng)力越來越??；并且由于小煤柱寬度的增加，小煤柱的穩(wěn)定性也隨之增加：當(dāng)煤柱寬度為5m和6m時(shí)，煤柱內(nèi)產(chǎn)生了塑性屈服，應(yīng)力集中明顯，煤柱逐漸壓裂膨脹并開始破壞；煤柱寬度為7～8m時(shí)，煤柱中部開始出現(xiàn)彈性核，煤柱有了一定的穩(wěn)定性。

因此，通過數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)小煤柱寬度為7～8m時(shí)，小煤柱中部出現(xiàn)彈性核，具有較好的穩(wěn)定性，且小煤柱的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)離沿空巷道，從而保證了巷道的穩(wěn)定性。

4現(xiàn)場實(shí)踐

根據(jù)謝橋煤礦1222(1)工作面上下區(qū)段已回采完畢的實(shí)際情況，回風(fēng)巷道和運(yùn)輸巷道的布置方式為平行布置且都采用沿空掘巷留小煤柱護(hù)巷，支護(hù)方式主要采用錨聯(lián)網(wǎng)支護(hù)?；夭善陂g安排專職人員每小班對工作面上隅角和回風(fēng)巷道中的CO進(jìn)行取樣并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全氣樣分析并記錄，分析結(jié)果表明CO濃度在回采期間始終不超過24×10-6，說明留設(shè)的7m小煤柱對工作面回采期間防止采空區(qū)煤炭自燃具有很好的效果。

5主要結(jié)論

(1)通過對小煤柱中產(chǎn)生的極限平衡區(qū)寬度的計(jì)算和小煤柱漏風(fēng)距離分析，得出小煤柱合理的留設(shè)寬度為7～8m時(shí)巷道圍巖比較穩(wěn)定，小煤柱的破壞程度比較小。

(2)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)留設(shè)的小煤柱寬度對小煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布影響較大，當(dāng)小煤柱寬度從5m增大到8m時(shí)，小煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力先增大然后又趨于平衡，小煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力近似拋物線形分布。

(3)現(xiàn)場實(shí)踐表明，當(dāng)小煤柱留設(shè)寬度為7m時(shí)，既能保證沿空巷道圍巖穩(wěn)定性，又能防止采空區(qū)遺煤自燃，為類似工作面小煤柱留設(shè)問題提供了借鑒。

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[責(zé)任編輯：林健]

[中圖分類號]TD822.3

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1006-6225(2016)01-0033-04

[作者簡介]張航(1989-)，男，陜西岐山人，在讀碩士研究生，從事火災(zāi)防治研究。

[收稿日期]2015-08-10

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.008

[引用格式]張航，戴廣龍.易自燃煤層沿空掘巷留小煤柱合理寬度研究[J].煤礦開采，2016，21(1)：33-36.