李楊(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

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極近距離煤層群回采巷道合理位置的柱寬效應(yīng)研究?

李楊
(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

摘 要針對極近距離煤層群開采地質(zhì)條件,在彈性理論的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出底板巖層中任意一點(diǎn)附加垂直應(yīng)力解析解,繪制了不同寬度大煤柱下底板巖層垂直應(yīng)力等值線圖,揭示了5＃煤層垂直應(yīng)力分布規(guī)律,結(jié)合大煤柱下應(yīng)力非均勻分布特征的影響,最終確定沙曲礦45m寬大煤柱支承壓力下5＃煤層25301工作面膠運(yùn)巷采用內(nèi)錯4m布置。現(xiàn)場實(shí)踐表明其支護(hù)效果良好,無明顯變形,礦壓顯現(xiàn)較為緩和。

關(guān)鍵詞煤柱寬度 極近距離煤層群開采 巷道布置 合理位置

當(dāng)煤層層間距較小時,上煤層開采后遺留的區(qū)段煤柱將在底板形成應(yīng)力集中,對下部煤層開采區(qū)域的頂板結(jié)構(gòu)和應(yīng)力環(huán)境造成顯著影響,嚴(yán)重地制約了礦井的安全生產(chǎn)?？紤]到以往的研究主要集中在煤層間距離較大的情況,而針對極近距離煤層群開采條件,尤其是早期礦井開采技術(shù)的不成熟所導(dǎo)致的上煤層遺留煤柱寬度較大時,對下煤層回采巷道布置的影響研究相對較少。因此,本文分析了大煤柱下底板巖層的垂直應(yīng)力分布規(guī)律和煤柱寬度的關(guān)系,并探討了大煤柱下不均勻應(yīng)力場對巷道圍巖結(jié)構(gòu)的影響,為極近距離煤層群下行開采工作面巷道合理位置的確定提供依據(jù)。

1　工程概況

25301工作面位于沙曲礦北三采區(qū),沿煤層傾向布置長壁工作面,東側(cè)為礦井開采界限,西側(cè)為北翼大巷,南側(cè)為已回采結(jié)束的25102工作面,北側(cè)為24302工作面采空區(qū)下方的實(shí)體煤。25301工作面回采煤層為5＃煤層,該煤層位于山西組下部,埋藏深度平均為400m,厚度平均為3.85m,傾角平均為5°,煤層賦存穩(wěn)定且裂隙較為發(fā)育,煤質(zhì)硬度較小、受力易碎。直接頂為泥巖,層狀半堅硬,其上方為巖性較強(qiáng)的粉砂巖和中砂巖,直接底為泥巖,老底為中砂巖,層狀堅硬。25301工作面正上方為24301工作面采空區(qū),回采煤層為3＃＋4＃煤層,混合煤層厚度平均為4.12m,距離5＃煤層的平均間距為5.5m,屬于極近距離煤層群下行開采方式。24301工作面和24302工作面回采結(jié)束之后,25301工作面膠運(yùn)巷布置位置的確定對其變形破壞特征和維護(hù)影響極大。

2　煤柱下應(yīng)力場分布規(guī)律理論分析

2.1 大煤柱下垂直應(yīng)力場分布與大煤柱寬度的關(guān)系

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究成果,護(hù)巷煤柱上的載荷是由煤柱上覆巖層重量(mmnn)及兩側(cè)(mnbd)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量所引起的,其所承受的載荷如圖1所示。

圖1　煤柱承受載荷計算圖

上述計算以平面問題代替空間問題,在未涉及上覆巖層運(yùn)移狀況時將復(fù)雜的巖層賦存情況簡化為均質(zhì)巖層,同時對采場頂板的垮落高度與采高及頂板巖性的關(guān)系加以考慮,則護(hù)巷煤柱承受載荷計算式為:

式中:P——煤柱上的總載荷,MPa;

h——采空區(qū)巖層垮落高度,m;

k——頂板巖石碎脹系數(shù),與巖性有關(guān);

δ——采空區(qū)上覆巖層垮落角,(°);

M——采高,m;

L——采空區(qū)寬度,m;

γ——上覆巖層平均容重,kN/m3;

H——開采深度,m;

B——煤柱寬度,m。

由于煤柱兩側(cè)存在一定范圍的塑性區(qū),因此,在計算大煤柱實(shí)際承受的載荷時,應(yīng)當(dāng)對煤柱兩側(cè)的邊緣效應(yīng)進(jìn)行考慮,故將煤柱塑性區(qū)的垂直應(yīng)力變化簡化為線性關(guān)系,則煤柱所承受的極限載荷σ1為:

式中:a——煤柱彈性區(qū)寬度,m;

c——煤柱塑性區(qū)寬度,m。

根據(jù)彈性理論,將煤層底板的煤巖體視為均勻的彈性體,并將煤柱作用在底板的載荷簡化為梯形分布載荷,則其對底板巖層的作用如圖2所示。

圖2　梯形分布載荷下底板應(yīng)力計算圖

當(dāng)梯形載荷作用在半無限體表面上時,底板巖層中任意一點(diǎn)的附加垂直應(yīng)力可按疊加原理進(jìn)行計算。以梯形載荷作用下的底板應(yīng)力為例,在不同坐標(biāo)系下分別計算均布載荷(AQDE)以及三角形載荷(AEF、QDC)的作用,通過坐標(biāo)變換最終得到底板巖層中任意一點(diǎn)M所引起的附加垂直應(yīng)力σz,其計算如下:

均布載荷(AQDE)作用:

三角形分布載荷(AEF或QDC)作用:

式中:mi——M點(diǎn)至底板的垂直距離與均布載荷寬度之比;

ni——M點(diǎn)至均布荷載中心的水平距離與均布荷載寬度之比;

mj——M點(diǎn)至底板的垂直距離與三角形分布載荷寬度之比;

nj——M點(diǎn)至三角形分布載荷壓力為零點(diǎn)(邊)的水平距離與三角形分布載荷寬度之比;

pi、pj——分別為均布載荷強(qiáng)度和三角形分布的最大載荷強(qiáng)度,即煤柱所承受的極限載荷σ1。

所以梯形分布載荷(AQCF)為:

通過疊加原理對梯形載荷作用下的底板應(yīng)力進(jìn)行疊加,可以得到任意斷面尺寸的梯形分布載荷所引起的底板中任意一點(diǎn)M的附加垂直應(yīng)力σz為:

式中:x——M點(diǎn)到煤柱中心的水平距離;

z——M點(diǎn)到3＃＋4＃煤層底板的垂直距離。

考慮到極近距離煤層群開采煤柱下底板巖層的自重應(yīng)力遠(yuǎn)小于其所承受的附加垂直應(yīng)力值,其下部煤層的巷道布置和工作面回采也主要受煤柱附加垂直應(yīng)力的影響,故只將σz作為研究對象。根據(jù)礦井已有的現(xiàn)場資料可知,3＃＋4＃煤層工作面埋藏深度為400m,采空區(qū)寬度為158m,煤柱的塑性區(qū)寬度為7m。由于早期開采技術(shù)的不成熟,沙曲礦選用大煤柱進(jìn)行巷道的維護(hù),考慮到大煤柱寬度可能對其下方底板巖層垂直應(yīng)力分布規(guī)律造成很大影響,分別研究煤柱寬度為35 m、40 m、45m、50m、55m、60m時,不同寬度大煤柱時的極限載荷σ1,考慮到附加垂直應(yīng)力σz與γH的比值即為應(yīng)力集中系數(shù),最終代入式(7)可以得到不同寬度大煤柱下底板巖層垂直應(yīng)力集中系數(shù)為:

通過Matlab軟件計算可得不同寬度大煤柱下底板巖層垂直應(yīng)力等值線如圖3所示。

由圖3可知,大煤柱支承壓力按一定的擴(kuò)散和衰減規(guī)律向底板巖層傳遞,而不同寬度大煤柱下底板巖層的應(yīng)力分布狀態(tài)及影響范圍有如下規(guī)律:

(1)當(dāng)留設(shè)煤柱寬度較大時,其下方底板巖層中的垂直應(yīng)力呈雙峰(馬鞍形)分布,應(yīng)力峰值點(diǎn)在一定深度內(nèi)靠近煤柱邊緣,并在煤柱中心處出現(xiàn)“谷底”。隨著煤柱寬度的繼續(xù)增大,底板巖層中應(yīng)力集中程度不斷降低,且峰值處最大應(yīng)力集中系數(shù)也在減小。

(2)隨著距底板巖層深度的增加,煤柱下巖層中的垂直應(yīng)力不斷減小,峰值也相應(yīng)的降低且逐漸向采空區(qū)側(cè)轉(zhuǎn)移,而應(yīng)力分布和作用范圍逐漸增大,即呈現(xiàn)擴(kuò)散和衰減變化。通過對比不同寬度煤柱下方的垂直應(yīng)力等值線可以看出,底板巖層中垂直應(yīng)力集中區(qū)域的豎向范圍基本不受煤柱尺寸變化的影響,因此,針對不同寬度煤柱的條件,其底板巖層垂直應(yīng)力顯著影響深度主要集中在27 m以淺,當(dāng)深度大于27 m后,應(yīng)力變化趨勢逐漸緩和。

(3)在大煤柱載荷作用下,其正下方一定范圍內(nèi)的巖層為應(yīng)力集中區(qū),同時應(yīng)力不斷向采空區(qū)擴(kuò)展并減小,從而距煤柱邊緣一定距離將形成應(yīng)力降低區(qū),兩者以原巖應(yīng)力等值線為界,且該原巖應(yīng)力等值線在一定深度范圍內(nèi)為遠(yuǎn)離煤柱斜向采空區(qū)底板巖層的曲線。

由于5＃煤層與3＃＋4＃煤層平均層間距離為5.5m,因此,5＃煤層距3＃＋4＃煤層底板的垂直距離z為5.5m,代入式(8)可以得到該煤層垂直應(yīng)力分布的計算公式為:

圖3　不同寬度大煤柱下底板巖層垂直應(yīng)力等值線圖

由式(9)可知,當(dāng)σz為γH時,x所對應(yīng)的值即為5＃煤層垂直應(yīng)力大小等于原巖應(yīng)力的位置。分別代入不同寬度煤柱承受的極限載荷σ1,通過數(shù)值計算可以得出,當(dāng)煤柱寬度由35m增至50m 時,x所在位置由距離煤柱邊緣4.5 m減小至3m,隨著煤柱寬度的繼續(xù)增大,原巖應(yīng)力位置基本保持在距離煤柱邊緣3m附近。同時,在距離煤柱邊緣3～4.5m以外,5＃煤層所受集中應(yīng)力迅速降低,直到低于原巖應(yīng)力γH,因此,為減少煤柱對下煤層回采巷道的影響,應(yīng)盡可能將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi),并與煤柱邊緣保持一定距離。圖4為不同寬度大煤柱下5＃煤層的垂直應(yīng)力集中系數(shù)σz/γH與距煤柱中心距離的關(guān)系。

圖4　不同寬度大煤柱下5＃煤層應(yīng)力分布規(guī)律圖

綜合分析圖4可知,煤柱寬度的變化對5＃煤層的垂直應(yīng)力影響較大,峰值處應(yīng)力集中程度隨著煤柱寬度的增大而降低,當(dāng)大煤柱寬度相對較小時,5＃煤層垂直應(yīng)力分布呈“雙峰”形狀,且峰值處應(yīng)力集中系數(shù)較高,當(dāng)大煤柱寬度相對較大時,其垂直應(yīng)力分布呈“三峰”形狀,且峰值處應(yīng)力集中系數(shù)較低。當(dāng)煤柱寬度由35m增加到45m 時,峰值處垂直應(yīng)力集中系數(shù)由3.70減小至3.10,此區(qū)間范圍內(nèi)的煤層大致呈“雙峰”形狀的應(yīng)力分布;當(dāng)煤柱寬度由45 m增加到60 m時,其兩側(cè)峰值垂直應(yīng)力集中系數(shù)由3.10減小至2.55,此區(qū)間范圍內(nèi)的煤層呈“三峰”形狀的應(yīng)力分布,尤其當(dāng)煤柱寬度增大到60m時,煤柱中心處的應(yīng)力峰值與兩側(cè)峰值大小基本相同,但兩側(cè)峰值附近垂直應(yīng)力衰減的速度最快;隨著煤柱寬度的進(jìn)一步增大,煤柱兩側(cè)峰值垂直應(yīng)力逐步減小直至平緩,而其中心處垂直應(yīng)力大小基本沒有變化,煤層的垂直應(yīng)力分布逐漸向正梯形過渡。

2.2大煤柱下應(yīng)力非均勻分布特征分析

在煤柱壓力作用下,底板受其影響的應(yīng)力分布差異性很大,其應(yīng)力非均勻分布特征明顯,且影響區(qū)域主要集中在煤柱到采空區(qū)的過渡階段。對于不同水平截面上的底板而言,離煤柱邊緣越近則應(yīng)力不均勻程度越大,遠(yuǎn)離煤柱則應(yīng)力不均勻程度越小;對于同一水平面上的底板而言,隨著離煤柱距離的增大,其應(yīng)力不均勻程度也趨于緩和?？紤]到非均勻載荷作用也會對回采巷道造成一定程度的破壞影響,因此,當(dāng)設(shè)計極近距離下部煤層回采巷道位置時,不但要考慮盡可能布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi),還應(yīng)考慮煤柱下底板應(yīng)力場的不均勻程度對巷道圍巖結(jié)構(gòu)的影響。本文采用應(yīng)力改變率K來衡量5＃煤層垂直應(yīng)力的不均勻程度,即:

式中:σz(x)——5＃煤層的垂直應(yīng)力分布函數(shù)。

由式(10)可知,隨著垂直應(yīng)力不均勻程度的降低,應(yīng)力改變率K值將相應(yīng)地減小。為了提高煤炭資源回收率,盡可能減少煤柱損失,依據(jù)礦井巷道特點(diǎn)及一般工程設(shè)計精度要求,當(dāng)作用于巷道頂板兩側(cè)載荷相差小于25%時,其對巷道的影響可通過適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施加以解決。因此,結(jié)合式(9)可以得到各應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力改變率的極限位置(即巷道頂板兩端的載荷相差小于25%的位置),并將該位置到煤柱邊緣的水平距離作為垂直應(yīng)力不均勻程度的影響范圍。當(dāng)煤柱寬度由35 m增至45m時,垂直應(yīng)力不均勻程度影響范圍由8m減小至4m,隨著煤柱寬度的繼續(xù)增大,該影響范圍受煤柱寬度的影響很小并基本保持不變。

綜合考慮應(yīng)力值以及應(yīng)力改變率的極限位置,結(jié)合沙曲礦3＃＋4＃煤層留設(shè)45m寬大煤柱的實(shí)際情況,確定25301工作面膠運(yùn)巷布置在24301工作面膠運(yùn)巷內(nèi)錯4m位置處較好。

3　工程實(shí)踐

礦井25301工作面膠運(yùn)巷最終采取內(nèi)錯4m布置,巷道布置剖面示意圖如圖5所示,巷道現(xiàn)己準(zhǔn)備完畢,采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。實(shí)測結(jié)果表明巷道在整個掘進(jìn)期間,頂?shù)装逡平恳话阍?5～80 mm,巷道無明顯變形;在25301工作面回采過程中,對膠運(yùn)巷超前影響范圍達(dá)到30m,巷道頂?shù)装謇塾嬕平炕揪S持在124～165mm,兩幫累計移近量為105～142mm。從現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出,25301工作面膠運(yùn)巷相對24301工作面巷道內(nèi)錯4m布置時,支護(hù)效果較好,且無明顯變形,沒有出現(xiàn)強(qiáng)烈的礦壓顯現(xiàn)。

圖5　25301工作面剖面圖

4　結(jié)論

(1)在彈性理論的基礎(chǔ)上,結(jié)合煤柱承受載荷的計算公式求得底板巖層中任意一點(diǎn)的附加垂直應(yīng)力,揭示了不同寬度大煤柱下5＃煤層的垂直應(yīng)力分布規(guī)律。

(2)綜合考慮應(yīng)力值以及應(yīng)力改變率的極限位置,結(jié)合礦井煤層留設(shè)煤柱的實(shí)際情況,最終確定25301工作面膠運(yùn)巷采用內(nèi)錯4m布置。

(3)工程實(shí)踐表明,沙曲礦25301工作面膠運(yùn)巷采用內(nèi)錯4m布置較為合理,巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)效果較好,無明顯變形,礦壓顯現(xiàn)也較為緩和,研究成果可為類似條件下回采巷道布置提供參考。

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(責(zé)任編輯張毅玲)

Researchoneffectofpillarwidthinreasonablegatewayposition ofextremelyclosecoalseamgroup

LiYang
(CollegeofResources&SafetyEngineering,ChinaUniversityofMining andTechnology,Beijing,Haidian,Beijing100083,China)

AbstractAccordingtothemininggeologicalconditionsofextremelyclosecoalseams,we obtainedtheanalyticalsolutionofadditionalverticalstressatanypointinfloorstratum wasderivedonthebasisofelastictheory,andthecontourmapofverticalstressinfloorstratumunder coalpillarswithdifferentwidthweredrew,andtheverticalstressdistributionregularityofNo.5 coalseam wasrevealed,combinedwiththenon-uniformstressdistributioncharacteristicsunder thelargepillars,itwasdeterminedfinallythatthereasonablepositionofhaulageroadwayin 25301workingfaceofNo.5coalseamunderlargecoalpillarwith45mwidthinShaquMinewas disposedstaggerlywith4m width. Fieldpracticeshowedthattheroadwaysupporteffectwas good,andtherewasnoobviousdeformationandstratapressurebehavior.

Keywordspillarwidth,mininginextremelyclosecoalseamgroup,roadwaylayout,reasonablegatewayposition

中圖分類號TD822

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

基金項(xiàng)目:?深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(KLDCMERDPC14105),973計劃前期研究專項(xiàng)(2014CB260403),國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51504005)

作者簡介:李楊(1990－),男,山西省臨汾人,中國礦業(yè)大學(xué)(北京)博士研究生,主要從事礦山壓力與巖層控制方面的研究工作。