杨勇

(山西煤炭进出口集团 洪洞陆成煤业有限公司, 山西 洪洞县 041699)

矿井位于山西省境内,现主采山西组4#煤层,煤层平均厚度为8.69 m,为特厚煤层,14100工作面位于井田东部,工作面西侧为实体煤区域,东部为14101工作面采空区,14100工作面走向长度为1700 m,倾向长度为250 m,4#煤层直接顶为细砂岩,岩层厚度为6.5 m,基本顶为高岭质泥岩,岩层厚度为18.45 m,直接底为泥岩,岩层平均厚度为4.25 m,基本底为炭质泥岩,岩层平均厚度为10.15 m,14100工作面层位稳定,为全区可采的稳定煤层,工作面采用综合机械化放顶煤回采工艺,采用全部垮落法管理顶板,14100工作面布置如图1所示。

图1 采掘工作面布置

1 相似模拟实验研究

相似模拟实验能够通过建立相似地质力学模型,较为真实客观地反映岩体工程结构和力学特性,再现施工过程中岩体的变化特征,在矿山压力监测、覆岩变形破坏、边坡稳定性等方面得到广泛应用[1-2],为研究14100工作面回采推进期间上覆岩层的运动特征和侧向应力分布规律,进而确定14100工作面护巷煤柱留设的合理宽度,现采用二维平面应力实验平台对14100工作面回采期间围岩运动规律进行实验研究。

1.1 模型的建立

根据14100工作面地质条件,建立相似模拟实验平台,平台规格为2.5 m×1.5 m×0.2 m,相似模型规格为2.5 m×1.25 m×0.2 m,如图2所示。

图2 二维平面应力实验平台

1.1.1 相似条件

(1)应变相似比尺Cε=1。

(2)内摩擦角相似比尺C f=1。

(3)摩擦系数相似比尺CΨ=1。

(4)泊松比相似比尺Cμ=1。

(5)几何相似比尺C L=1/120。

(6)容重相似比尺Cr=1/1.5。

(7)应力相似比尺Cσ=Cr×C L=1/180。

(8)位移相似比尺Cδ=C L×Cε=1/120。

(9)强度相似比尺C RC=Cσ=1/180。

(10)时间相似比尺Ct=1/10.95。

14100 工作面可采长度为250 m,因此,在相似模型中模拟推进长度为2.5 m,14100工作面平均推进速度为6 m/d,在相似模型中模拟开挖速度为3.41 c m/h。

1.1.2 相似材料及其配比

按照高容重、低强度、低变形模量的要求,结合实验平台的实际条件,选择河沙、石灰、石膏、水作为相似原材料进行复合材料的配制,各岩层的分层材料选用粗云母粉,模拟材料配比见表1。

表1 模拟材料配比参数

1.1.3 加载方法

14100 工作面埋深在500 m左右,采用相似模型无法按照几何尺寸进行完全模拟,因此,在模型顶部安置加压气缸,用于施加载荷,补偿岩层缺失的重力,因14100工作面地质构造应力影响较小,故不进行水平应力补偿,垂直应力补偿装置如图3所示。

图3 外力补偿装置

1.1.4 测试系统

在相似模型内沿4#煤层顶板、上覆岩层中部和煤层底板布置三层测线,其中,4#煤层顶板、上覆岩层中部每层测线上布置11个间距为220 mm的测点,煤层底板测线上布置8个间距为250 mm的测点,在测点位置预埋压力盒,用于应力监测,同时,在煤层顶板上覆岩层中布置两个位移基点,用于位移监测,压力测试仪采用TS3866测量系统。测站布置如图4所示。

图4 测站布置

1.2 相似模拟实验结果

1.2.1 顶板活动特征

(1)顶板未充分垮落。随着工作面的推进,工作面上部坚硬顶板逐渐出现离层、变形、下沉的现象,当工作面推进70 m时,采空区顶板开始垮落,随着工作面的持续推进,顶板周期式形成悬臂梁结构,在达到极限跨距时垮落,整体上看,工作面回采推进期间,顶板悬臂梁结构成动态形式不断前移,上覆顶板结构相对完整,顶板未充分垮落[3]。顶板未完全垮落时的结构特征如图5所示。

图5 顶板未充分垮落时的结构特征

(2)顶板充分垮落。随着工作面的推进,上覆岩层出现分层垮落,破断的块体形成动载作用于下方垮落的岩体上,并在工作面的推进中逐渐发生回转下沉变形,破断块体相互挤压,形成具有一定承载力的结构,随着采空区范围的增大,坚硬顶板结构周期性破断失稳,引起强动载现象,致使垮落的块体呈现松散状态,此时,块体之间相互挤压作用变小,承载结构破坏,上位坚硬顶板垮落失稳引起的围岩活动范围大、强度高,顶板充分垮落时的结构特征如图6所示。

图6 相似模拟实验的最终观测结果

1.2.2 上覆岩层的运动特征

随着下部煤层的开采,煤层上覆围岩依次出现离层、弯曲下沉、断裂垮落、压实的过程,上覆围岩下沉量随着煤层开采的程度逐渐增加,岩层之间的离层量被不断压缩,直至压实形成具有一定联合运动的结构[4],厚煤层上覆岩层下沉量随工作面推进距离变化如图7所示。

图7 顶板岩层下沉量曲线

总体来看,厚煤层回采后,上覆岩层相差量不大,其下沉趋势一致,其中,下位坚硬顶板与软弱夹层中下部分层保持同步协调运动,软弱夹层上分层、上位坚硬顶板及其邻近的上覆软弱岩层保持同步协调运动。

1.2.3 侧向支承应力分布规律

工作面回采推进后,煤层顶板破断失稳,覆岩垮落形成压力拱结构,上覆围岩重量逐渐向工作面两侧转移,在相邻煤壁上形成侧向支承压力,工作面推进300 m后,对采空区两侧压力进行测定,结果如图8所示。

图8 顶板岩层压力监测曲线

由图8可以看出,从采空区到煤柱深部,支承应力呈现先急剧增加,抵达峰值后,平缓下降并趋于稳定的趋势,支承应力峰值区域位于距采空区煤壁23 m附近,最大值为25.5 MPa,支承应力在距采空区50 m之后逐渐稳定,支承应力在22 MPa左右,此时,支承应力仍高于15.5 MPa的原岩应力,因此,14100工作面采动影响范围大于50 m。

采空区煤壁处支承应力约为9.5 MPa,随着距采空区距离的增加,煤体支承应力逐渐增加,至距采空区12 m的位置处支承应力接近原岩应力,因此,距采空区0～12 m的区域内属于应力降低区,14100工作面辅运顺槽巷道宽度为5 m,为保证顺槽留设煤柱位于应力降低区,需保证煤柱留设宽度不大于7 m。

2 理论计算

根据极限平衡理论,对14100工作面支承压力峰值进行计算。应力平衡区宽度[56]X0按式(1)计算:

式中,m为煤层厚度,取9 m;A为侧压系数,取0.23;φ0为煤层内摩擦角,取28°;C0为黏结力,取5 MPa;K为应力集中系数,取1.6;γ为岩层容重,取5000 N/m3,H为煤层埋深,取560 m;P x为对煤帮的支护阻力,取0.4 MPa。

经计算,应力平衡区宽度X0为2.04 m。

煤柱合理宽度的计算模型如图9所示。

图9 窄煤柱宽度计算模型

煤柱合理宽度B按式(2)计算:

式中,B为煤柱宽度,m;X1为煤柱稳定系数对应的宽度,取0.44～1.32 m,X2为锚杆长度,取2.4 m。

经计算,煤柱合理留设宽度B介于4.88～5.76 m之间。

3 数值模拟

3.1 模型的建立

采用有限差分软件FLAC3D建立数值分析模型,模型尺寸为500 m×300 m×150 m,力学模型为“摩尔-库伦”型,根据工作面埋深计算,模型上部载荷为12.4 MPa,回采巷道模拟断面为5.0 m×3.8 m,岩层的物理力学参数见表2。

表2 岩层力学参数

3.2 模拟结果及分析

14100 工作面回采期间垂直应力分布云图、曲线规律分别如图10、图11所示。

图10 垂直应力分布云图

图11 垂直应力曲线

分析图10可知,14100工作面推进后,在采空区两侧煤体上形成了支承应力影响区,其中,在采空区边缘至煤体深部11.5 m的范围内,应力低于15.5 MPa的原岩应力,为应力降低区,超过11.5 m的区域范围,垂直应力高于原岩应力,为应力增高区,在煤体距采空区距离为21 m时,出现应力峰值,最大应力为25 MPa,应力集中系数为1.55,峰值区过后,煤体支承应力逐渐降低并趋于平缓至原岩应力,整体来看,14100工作面采动影响区大于70 m,为降低留设煤柱支承压力,考虑将煤柱布置在低应力区,除去巷道自有尺寸,故确定煤柱留设宽度不高于6 m。

数值模拟与相似模拟、理论计算结果基本吻合,最终确定14100工作面煤柱留设宽度为5 m。

4 结论

(1)通过建立相似模型,再现了14100工作面回采推进期间顶板活动特征、上覆岩层的运动特征和侧向支承应力分布规律,确定距采空区0～12 m的区域内属于应力降低区,煤柱留设宽度应不大于7 m。

(2)采用极限平衡理论,计算得出14100工作面应力平衡区宽度为2.04 m。煤柱合理留设宽度应介于4.88～5.76 m之间。

(3)采用FLAC3D软件进行数值分析计算,确定在采空区边缘至煤体深部11.5 m的范围内为应力降低区,为降低留设煤柱支承压力,煤柱留设宽度应不高于6 m。

(4)综合相似模拟、理论计算、数值模拟3种手段,确定14100工作面合理煤柱留设宽度为5 m。