0419 谭 毅1,2,3，郭文兵1,2,3，白二虎1，杨达明1，王比比1
(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000; 2.河南理工大学 河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用重点实验室，河南 焦作 454000; 3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000)
摘 要:条带式Wongawilli采煤法是一种新型高效减沉采煤法，对减轻采场覆岩破坏、控制地表沉陷、减少采动对地表建(构)筑物的损害具有重要意义，而煤柱是条带式Wongawilli采煤法减沉降损效果的关键。为研究条带式Wongawilli开采煤柱特征及其对覆岩作用，阐明了条带式Wongawilli采煤法煤柱系统与顶板的相互作用机理，本文结合王台铺煤矿地质采矿条件，采用理论分析、相似模拟及现场验证相结合的方法，研究了条带式Wongawilli开采煤柱形式及特征，建立了条带式Wongawilli煤柱的结构力学模型，分析了直接顶离层情况及不规则煤柱、条带煤柱的受力与支护强度。研究表明：条带式Wongawilli采煤法由刀间煤柱、不规则煤柱、条带煤柱形成了特殊的煤柱系统，刀间煤柱起临时支护作用，随着工作面的推进，刀间煤柱随采随垮或者短时间内就失去支撑能力；不规则煤柱能对顶板的维护起到一定作用；条带煤柱是整个煤柱系统的关键。条带式Wongawilli开采直接顶与基本顶发生离层，直接顶弯曲下沉形成“固支梁”或垮落形成“悬臂梁”2种结构，并作用于条带式Wongawilli煤柱；条带煤柱与传统条带开采煤柱类似，支撑直接顶及基本顶。不规则煤柱类似于支撑单体的形式(类单体)被动支撑直接顶，且不规则煤柱如果发生失稳破坏，条带煤柱的压缩突变量也会突增，影响其稳定性, 进而影响整个条带式Wongawilli开采煤柱系统的稳定。
关键词:条带式Wongawilli;煤柱;破坏特征;煤柱失稳;离层
中图分类号:TD823.6
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)04-1003-08
收稿日期:20180419
修回日期:20180730
责任编辑:常 琛
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51374092);河南省高校重点科研基金资助项目(18A440013);河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用重点实验室开放基金资助项目(KCF201807)
作者简介:谭 毅(1985—)，男，四川遂宁人，讲师，博士。Tel:0391-3987082，E-mail:517237667@qq.com
TAN Yi1,2,3，GUO Wenbing1,2,3，BAI Erhu1，YANG Daming1，WANG Bibi1
(1.College of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China; 2.Henan Key Laboratory for Green and Efficient Mining & Comprehensive Utilization of Mineral Resources,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China; 3.Synergism Innovative Center of Coal Safety Production in Henan Province,Jiaozuo 454000,China)
Abstract:The strip Wongawilli Mining method is a new type of high-efficiency subsidence reduction mining method in China,which is of great significance for reducing the damage of overburden rock,controlling surface subsidence and reducing the damage of mining to surface structures.The coal pillar is the key to control subsidence by Strip Wongawilli mining.In order to study the coal pillar characteristics and the interaction mechanism between coal pillar system and roof in strip Wongawilli mining,the Wangtaipu mine was taken as geological model.Theoretical analysis,similar simulation and site measurement were combined to build a systematic model in strip Wongawilli mining.The failure characteristics of coal pillars in Strip Wongawilli mining were observed,and the mechanical structure model of strip coal pillar and irregular coal pillar were set up.Then the roof abscission layer and coal pillar stress and support strength were analyzed.The results show that the strip Wongawilli mining method is a special pillar system formed by narrow pillars,irregular pillars and strip pillars.The narrow pillars play a temporary supporting role.With the advance of coal mining face,the narrow pillars lose their supporting capacity after mining or in a short time,irregular pillars can play a certain role in the support of roof,and strip pillars are the key of the whole pillar system.In strip Wongawilli mining,direct roof separates from main roof,and direct roof bends and subsides to form two kinds of structures,one is to bend down to form a clamped beam,and the other is to form a cantilever structure,which applying force to strip Wongawilli coal pillars.The strip coal pillars are similar to the traditional strip coal pillars,supporting the direct roof and the old roof.The irregular coal pillars are similar to the form of supporting monomers (similar to monomers) passively supporting direct roof.If irregular coal pillars fail,the abrupt change of compression of strip coal pillars will increase sharply,which will affect the stability of the whole strip Wongawilli mining pillar system.
Key words:strip Wongawilli mining;coal pillar;failure characteristics;coal pillar instability;roof abscission layer
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谭毅，郭文兵，白二虎，等.条带式Wongawilli煤柱特征及作用机理分析[J].煤炭学报,2019,44(4):1003-1010.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0457
TAN Yi，GUO Wenbing，BAI Erhu，et al.Coal pillar characteristics and its mechanism of Strip Wongawilli mining[J].Journal of China Coal Society,2019,44(4):1003-1010.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0457
煤柱一般分为永久隔离煤柱和临时支撑煤柱两类[1]，永久隔离煤柱能有效地隔离一个较小的开采区域，减少或避免已开采区域对采掘活动的影响;临时支撑煤柱，其作用是在小区域开采期间支撑顶板，采后能够及时破坏。条带式Wongawilli采煤是将条带开采的长壁布置方式与短壁柱式Wongawilli高效开采技术相结合的新型采煤法[2-3]，其由刀间煤柱、不规则煤柱及条带煤柱形成了特殊的煤柱系统。煤柱系统的稳定是覆岩控制的关键[4-9]，其主要由组成煤柱系统的不同类型煤柱决定，因此，针对条带式Wongawilli采煤新方法，借鉴条带煤柱相关研究经验[10-13]，研究条带式Wongawilli采煤法煤柱系统中各个煤柱特征及其工程作用，对于控制覆岩移动及地表下沉是十分必要的。
笔者通过分析条带式Wongawilli开采煤柱特征，建立条带煤柱及不规则煤柱结构力学模型，采用理论分析、相似模拟及工程验证相结合的方法，分析了条带式Wongawilli开采煤柱特征及作用机理，为条带式Wongawilli采煤法应用与推广提供参考依据。
条带式Wongawilli采煤法采用短壁连采机进行回采，履带式行走液压支架维护采硐与支巷交叉处三角顶板。根据条带式Wongawilli采煤法的5种巷道布置方式[14-15]，条带式Wongawilli采煤法煤柱形式有刀间煤柱、不规则煤柱、条带煤柱3种。3种煤柱因其尺寸、形式等不同，其在回采过程中的作用、支护时间等存在诸多区别(图1)。
图1 条带式Wongawilli采煤巷道布置及煤柱示意
Fig.1 Roadway layout and coal pillar of strip Wongawilli mining
(1)刀间煤柱。
条带式Wongawilli开采在采硐与采硐之间留设2 m左右的狭窄煤柱，即刀间煤柱。从现场来看，刀间煤柱一般与支巷45°成夹角，不能对基本顶起到支撑作用，仅对直接顶起到临时支撑作用，随着工作面的推进，刀间煤柱随采随垮或者短时间内就失去支撑能力，故本文不做详细论述。
(2)不规则煤柱。
无论采用5种巷道布置方式中的哪一种，采硐回采过后，都将形成不规则的煤柱带。以双巷单翼布置为例，两支巷开采完成后，形成如图1中的菱形状的不规则煤柱带。在开采过程中，不规则煤柱带能一定的起到对顶板的维护作用，同时，隔离相邻2个支巷采硐，保证通风系统的稳定。
(3)条带煤柱。
支巷间留设下的长条式带式煤柱对顶板控制起到决定性的作用，且在一个支巷回采完成后，通过在回采巷道构筑的密闭设施，起到封闭采空区，减少煤矿自然灾害作用。
采场覆岩主要由直接顶和基本顶构成，当直接顶厚度小于或等于基本顶厚度时，直接顶的变形大于基本顶的变形，直接顶与基本顶之间容易出现离层现象[16]。条带式Wongawilli采煤中，基本顶的变形失稳与滑落失稳将对直接顶的稳定性产生影响。条带式Wongawilli采煤法就是要避免基本顶的失稳出现，故在研究直接顶破碎情况时，基本顶可以视为稳定。此外，相关研究表明[3,14-15],条带式Wongawilli采煤的不规则煤柱的中部存在弹性区，能对顶板起支撑作用。据此，可建立如图2所示的条带及不规则煤柱的结构模型(垂直于支巷方向剖面)。
图2 条带煤柱及不规则煤柱结构力学模型
Fig.2 Mechanical structure model of strip coal pillar and irregular coal pillar
由图2(a)所示，一般来说直接顶的强度低于基本顶，采场上部覆岩下移，直接顶的下移量大于基本顶，造成顶板离层，当采宽小于直接顶极限跨距(b<L)时，直接顶不垮落，不规则煤柱中间出现类似于支撑单体的结构(类单体)，对直接顶起支护作用，形成一个两端固定中间简支的梁式结构;由图2(b)所示，当采宽大于直接顶极限跨距(b>L)时，直接顶垮落。条带煤柱两侧形成“悬臂梁”结构，不规则煤柱对其上部离层的直接顶起支撑作用，若其支撑强度大于上覆直接顶的重量，不规则煤柱不被破坏，该区域稳定，若不规则煤柱在上覆直接顶的作用下失稳破坏，失去对顶板的支撑能力，上覆岩层仅由条带煤柱支撑，此时，煤柱的受力与传统条带开采相同。
2.1.1 直接顶离层分析
煤层开采后，岩石力学应力状态发生改变，直接顶由三维应力变为二维应力状态，表现为直接顶的垮落现象[16-17],根据直接顶、基本顶的最大挠度公式[16]，考虑到条带式Wongawilli开采不规则煤柱对直接顶支撑强度为p，直接顶与基本顶不发生离层的条件为
(1)
式中，γh1为基本顶自身单位长度的载荷，Pa;L1为初次垮落步距，m;E1,E2为基本顶、直接顶的弹性模量;J1,J2为基本顶、直接顶的断面惯性矩载荷;∑h为直接顶的厚度，m;p为不规则煤柱的支护强度，以单位面积支撑力计算;q为加于基本顶的载荷，Pa。
令q=γh3，以
代入式(1)，则
(2)
2.1.2 直接顶垮落矸石接顶分析
条带式Wongawilli采煤回采后，直接顶垮落，岩石杂乱堆积，类似于散体，岩石破碎后体积将发生膨胀，采空区矸石能否支撑上覆岩层可以通过直接顶厚度及岩石膨胀系数来确定。
膨胀系数Kp主要取决于破碎后块体的大小及排列状态。例如，坚硬岩层破碎成大块碎石且排列整齐，膨胀系数Kp较小;若破碎后块度较小且排列杂乱，则Kp较大。那么，相较排列整齐且形成结构的基本顶，直接顶即使是较软弱岩石，随着工作面推进，只要直接顶垮落成块度较小碎石且排列杂乱，则其膨胀系数Kp也相对较大[16]。
设岩石的膨胀系数为Kp，直接顶垮落后充满采空区所满足的条件为
(3)
式中,M为煤层厚度(采高)，m。
2.2.1 不规则煤柱受力及支护强度分析
(1)不规则煤柱直接顶离层(b<L)
由图2可知，当采宽小于直接顶极限跨距(b<L)时，不规则煤柱中间出现类单体，对直接顶起支护作用，形成一个两端固定中间简支的梁式结构，此时基本顶保持稳定，接顶与基本顶离层[16]。由相似模拟及数值模拟分析可知，在上部覆岩的作用下，不规则煤柱形成的类单体对顶板的支护，针对直接顶，从覆岩中取一单元体abcd(图3)，对其进行受力分析，进而从支护密度、强度方面分析分析类单体的支护可靠性。
图3 单元受力分析
Fig.3 Analysis of unit’s force catching
图中，F1为单元体受到下部岩层的支托力;F2为上部岩层与单元体间的牵引力;F3为单元体与上部岩层间的层面接触压力;fF3为单元体沿层面方向的摩擦力，f为直接顶与基本顶之间的摩擦因数;∑RTi为点柱对单元体的支撑力;Q为单元体自身的质量;α为煤层倾角。
当顶板处于滑移错动的临界状态时，F1=F2=0，这时要求的抵抗隔下滑所必须的阻力R[18-19]为
R=∑hγ(sin α+fcos α)-f∑RTi
(4)
则类单体的数量n则为
n=P/RTi=[∑hγ(sin α+fcos α)-fnRTi]/RTi
(5)
式中，n为类点支柱的支护密度，根/m;RTi 为类单体实际支撑能力，kN/根;γ为直接顶岩层的容重，N/m3。
若直接顶与基本顶发生离层，即F3=0，也即f=0,式(5)可写为
n=∑hγsin α/RTi
(6)
(2)不规则煤柱直接顶离层断裂(b>L)
当采宽大于直接顶极限跨距(b>L)时，直接顶发生离层破断，形成悬臂结构，不规则煤柱对其上部离层的直接顶起支撑作用，其承受的载荷为直接顶悬臂梁及上覆直接顶重量之和。
图4 悬臂梁力学分析
Fig.4 Mechanical analysis of cantilever beam
结合图2(b)，采用弹性力学理论，对图4悬臂岩梁进行力学分析，可得拉伸破坏条件下的直接顶安全跨距(周期破断距)关系式[17]:
(7)
在条带式Wongawilli采煤法中，顶板垮落形成的采空区矸石不对悬臂结构的顶板不产生水平方向作用。可得相应第i层直接顶的垮落距离li为
(8)
那么，不规则煤柱承受的载荷Qb为
(9)
式中，mi为第i层直接顶的厚度，m;γi为直接顶对应岩层的容重，N/m3。
2.2.2 条带煤柱受力及强度分析
A.H.威尔逊两区约束理论认为煤柱承受了采空区及煤柱上方覆岩的自重，在计算煤柱实际承受的荷载，一般采用以下计算公式[5,20]:
(10)
根据A.H.威尔逊、金(King,1970)及钱鸣高院士煤矿采场围岩控制理论[16]，结合条带式Wongawilli采煤法直接顶分层阶梯式垮落、基本顶保持完整的实际情况，据此建立条带式Wongawilli采煤条带煤柱载荷模型:
按图5所示，考虑煤柱两侧的边缘效应，由三角相似可知
(11)
图5 采空区及煤柱分担荷载
Fig.5 Sharing load of gob and coal pillar
因此，条带式Wongawilli采煤法条带煤柱:
(12)
式中，a，b为留宽和采宽，m;H为煤层埋藏深度，m;δ为直接顶垮落后，直接顶与顶板垂直方向的夹角，(°);∑l为直接顶的周期破断极限跨距，m。
数值模拟以王台铺煤矿XV2318工作面中XV231801工作面及XV231802工作面为原型(图6)，XV2318工作面平均倾向长度约为270 m，平均走向长度约为100 m，煤层平均埋藏深度约为174 m，倾角平均为2°，平均厚度约为2.5 m，上覆岩层的平均容重为2.5×104 N/m3，煤层普氏硬度f为2～4。
图6 模拟区域示意
Fig.6 Modeling area
开挖过程为:XV231801支巷1,2开挖→XV231802支巷1,2开挖→回采XV231801工作面(先回采支巷1左侧采硐①,再回采支巷2右侧采硐②)→回采XV231802工作面(先回采支巷1左侧采硐③,再回采支巷2右侧采硐④)。
由图7可知，XV231801采硐①回采后，不规则煤柱局部破坏，其承载能力逐渐降低，部分应力转移到XV231801采硐②的煤体内，在回采该采硐过程中，由于应力场不断转移，可能造成局部煤柱破坏;随着采场空间跨距逐渐增大，上覆岩层的自重逐渐向两侧条带煤柱及XV231802煤体内转移并在其内部产生高应力，回采XV231802采硐①后，不规则煤柱内应力比XV231801采硐①回采后更高，因此在回采XV231802采硐②时不规则煤柱破坏的可能性更大。
总体来看，XV231801工作面开挖后，支巷应力集中程度不大，高应力主要集中分布在条带煤柱及XV231802煤体内，且随XV231801两翼开采后，隔离煤柱应力集中程度也逐渐增加，尤其在条带煤柱及XV231802工作面侧煤柱应力接近8.5 MPa;随XV231802工作面开挖，受到上覆采场空间的作用，高应力主要集中在条带煤柱和隔离煤柱内。
如图8所示，由XV231801和XV231802采硐来看，不规则煤柱以混合破坏为主，不规则煤柱的刀间煤柱既有剪切破坏又有拉伸破坏，破坏程度比较大，结合刀间煤柱的尺寸进行理论分析和现场调查来看，刀间煤柱基本已经失去支撑顶板的作用;而不规则煤柱中部菱形煤体呈现单一的剪切破坏，根据不规则煤柱应力分布特征来看，在菱形煤体上依然存在一定的应力峰值，由此可见不规则煤柱的菱形煤体上还是存在一定的残余强度用于支撑顶板压力。对比图8(b)与图8(d)不难发现，第一个回采条带结束后，不规则煤柱中间出现“类单体”结构支撑顶板，也即表现为如图2相似模拟图中煤柱破坏形态。但是，随着第2个开采条带的回采，第1个条带的不规则煤柱破坏范围加大，直至完全破坏。
此外，对照数值模拟基本顶、直接顶塑性区可以发现，基本顶基本不存在塑性区，而直接顶存在大范围的塑性区，且在回采过程中发育扩展，这也说明了条带式Wongawilli采煤过程中直接顶离层，而基本顶保持相对稳定。结合条带式Wongawilli采煤工作面的布置可知，开采初期，不规则煤柱有效维护直接顶的稳定，随着开采的进行，基本顶对条带煤柱的压缩量增加，进而表现为基本顶施压不规则煤柱，但是一旦基本顶来压，不规则煤柱形成的类单体也将发生破坏(图8(d))，这与理论分析及相似模拟结果表现一致。
图7 工作面回采各阶段垂直应力分布
Fig.7 Vertical stress distribution after coal face formation
图8 工作面各回采阶段塑形区域分布
Fig.8 Plastic area variation of coal seam during coal face with normal advancing
根据王台铺煤矿XV2318工作面资料，煤层顶板依次为泥岩、石灰岩、细粒砂岩，底板为较厚的砂质泥岩和中砂岩等岩层。直接顶为泥岩，其普氏硬度f为2～3，其碎胀系数Kp=1.6，M=2.5 m;∑h=2.15 m;采用式(2)，(3)，(6)以及(9)对条带式Wongawilli采煤法中的不规则煤柱的支护强度(p)，采空区充填程度采用等进行计算分析可得:XV2318工作面采用条带式Wongawilli采煤法回采后直接顶与基本顶发生离层垮落，垮落后的直接顶不能充满采空区(M>Δ)，但不规则煤柱形成的类单体能对直接顶起到支撑维护作用，条带煤柱是条带式Wongawilli开采煤柱系统的关键，如文献[2]所述，其核区率大于17%，在弹塑性区宽度比不小于0.21的情况下，条带煤柱稳定可靠，且不规则小煤柱破坏失稳会引起条带煤柱的压缩量突然增加，诱发条带煤柱失稳。
综上，通过结合具体的工程地质条件，采用数值模拟及理论分析可知，条带式Wongawilli采煤法形成的煤柱系统中，不规则煤柱以类单体的形式对直接顶起支撑作用，其稳定性主要决定于上覆直接顶的相关参数(厚度、岩性、密度等);条带煤柱时整个煤柱系统支撑的关键，同时，其稳定性受不规则煤柱的影响。
(1)条带式Wongawilli开采煤柱主要以劈裂和剪切破坏为主，刀间煤柱起临时支护的作用，随采随垮，不规则煤柱对直接顶起支撑作用，条带煤柱是整个煤柱系统的关键。
(2)条带式Wongawilli开采直接顶与基本顶发生离层，不规则煤柱以“类单体”形式对直接顶进行支护，直接顶弯曲下沉形成“固支梁”或垮落形成“悬臂梁”两种结构并作用于不规则煤柱;条带煤柱与传统条带开采煤柱类似支撑直接顶及基本顶。
(3)条带式Wongawilli开采不规则煤柱与条带煤柱相互影响，不规则煤柱的失稳破坏，导致条带煤柱压缩量的突增，影响其稳定性,进而影响整个条带式Wongawilli开采煤柱系统的稳定。
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