周保平 劉磊磊 侯振勝

（1.大同煤礦集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037042；2.蒙泰不連溝煤業(yè)公司不連溝煤礦，內(nèi)蒙鄂爾多斯 100071）

0 引言

綜采機(jī)械化長(zhǎng)壁放頂煤開采方法中煤柱尺寸對(duì)工作面正?；夭捎绊戄^大，尤其是在準(zhǔn)格爾煤田的薄基巖厚煤層開采條件下，煤柱尺寸的合理優(yōu)化就更加重要。煤柱尺寸不合理時(shí)，隨著煤層覆蓋厚度的加大，礦壓顯現(xiàn)更為劇烈，留設(shè)的煤柱片幫非常嚴(yán)重，巷道難以維護(hù)，對(duì)工作面正?；夭稍斐捎绊慬1]。如果僅僅加大煤柱尺寸，雖然能很好地維護(hù)巷道，保證工作面安全開采，但是留設(shè)的煤柱尺寸過大就浪費(fèi)了寶貴的資源，也增加了煤層的自然發(fā)火的危險(xiǎn)性，浪費(fèi)資源的代價(jià)甚至超過巷道維護(hù)的費(fèi)用，得不償失[2]。

本文針對(duì)不連溝煤礦的地質(zhì)條件進(jìn)行煤柱尺寸合理優(yōu)化，采用FLAC 軟件對(duì)F6201 綜放面護(hù)巷煤柱尺寸進(jìn)行數(shù)值模擬。不連溝煤礦F6201 綜放面現(xiàn)留設(shè)的煤柱尺寸為20 m。為驗(yàn)證20 m 煤柱的合理性，確定合理煤柱尺寸，分別對(duì)留設(shè)煤柱5 m、10 m、15 m、17.5 m、20 m、22.5 m、25 m、30 m、35 m時(shí)的留巷巷道垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、巷道變形和塑性破壞范圍進(jìn)行分析研究，保證工作面安全回采的同時(shí)，得出合理的煤柱尺寸，為煤礦節(jié)省更多的資源。

1 F6201 綜放工作面基本情況

內(nèi)蒙不連溝煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田北部，礦井主采煤層為石炭系上統(tǒng)太原組6#煤層。準(zhǔn)格爾煤田煤層埋藏淺，煤層集中于淺部煤系地層。F6201 綜放工作面東連6#煤回風(fēng)大巷，北靠總進(jìn)風(fēng)巷，西部、南部均是未采區(qū)，工作面沿底板布置兩順槽，一進(jìn)一回。該工作面走向長(zhǎng)度765.8 m，傾斜長(zhǎng)度249.6 m。煤層埋深為356.0 m～397.5 m，平均為376.75 m。F6201綜放工作面回采煤層為6#煤層，傾角0°～8°，平均為4°，煤層平均厚度15.24 m。機(jī)采高度4.0 m，放煤高度11.24 m，采放比平均約為1∶3。煤層產(chǎn)狀平緩，煤層傾角0°～8°，平均44°，裂隙較發(fā)育。6#煤層綜合地質(zhì)情況見第33 頁圖1。

2 數(shù)值模擬模型及計(jì)算分析

FLAC3D軟件是建立在拉格朗日算法基礎(chǔ)上的巖土力學(xué)數(shù)值計(jì)算軟件。在采礦工程中，利用FLAC 軟件可對(duì)采礦工程中圍巖活動(dòng)規(guī)律、巷道圍巖穩(wěn)定性問題涉及到的巖體力學(xué)特性、圍巖壓力、支護(hù)圍巖相互作用關(guān)系、巷道與工作面的時(shí)空關(guān)系等復(fù)雜的力學(xué)問題進(jìn)行全面研究。該軟件主要適用模擬計(jì)算地質(zhì)材料力學(xué)行為，特別是材料達(dá)到屈服極限后產(chǎn)生的塑性流動(dòng)[3-4]。

2.1 模擬模型的建立

2.1.1 模型邊界條件

模型四周邊界均施加水平位移約束，底邊界均施加水平位移及垂直位移約束。而模型的頂邊界采用應(yīng)力邊界，應(yīng)力為上覆巖層重力產(chǎn)生的均布載荷（見圖2）。

圖1 綜合地質(zhì)柱狀

圖2 物理模型和邊界條件

2.1.2 模型選擇和煤巖物理力學(xué)參數(shù)確定

本模型模型塊體的本構(gòu)關(guān)系采用莫爾-庫侖模型進(jìn)行計(jì)算[5-6]。由塊體和節(jié)理的本構(gòu)關(guān)系確定數(shù)值計(jì)算所需要的屬性參數(shù)，根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)室測(cè)得數(shù)據(jù)和類似條件下模擬實(shí)驗(yàn)中所取的數(shù)值取F6201 工作面煤層及覆巖的物理力學(xué)參數(shù)及煤巖層接觸面力學(xué)參數(shù)，見第34 頁表1。

2.2 數(shù)值模擬對(duì)比分析

利用FLAC3D模擬原則及實(shí)際情況，經(jīng)模擬計(jì)算可得出F6201 綜放工作面留設(shè)不同尺寸煤柱條件下煤柱本身及上覆巖層的應(yīng)力分布情況(見第34 頁圖3)、變形情況（見第34 頁圖4）。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

圖3 不同尺寸煤柱水平應(yīng)力分布

圖4 不同尺寸煤柱變形分布及變形量

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

利用FLAC3D模擬原則及實(shí)際情況，經(jīng)模擬計(jì)算可得出F6201 綜放工作面留設(shè)不同尺寸煤柱條件下煤柱本身及上覆巖層的應(yīng)力分布情況、煤柱應(yīng)力及變形之間的相互變化數(shù)值關(guān)系，根據(jù)計(jì)算分析可得綜合比對(duì)圖（見圖3、圖4），得出不同煤柱寬度時(shí)煤體的破壞規(guī)律。

（1）隨著工作面與巷道之間煤柱寬度的增加，煤柱處的垂直應(yīng)力逐漸增大，煤柱寬度為5 m 時(shí)煤柱處垂直應(yīng)力集中系數(shù)最大值達(dá)到1.2～1.4 左右；煤柱寬度為10 m～15 m 時(shí)，煤柱處靠近工作面一側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，垂直應(yīng)力集中系數(shù)最大值約為1.6～2.3；煤柱寬度為15 m～20 m 時(shí)，煤柱處垂直應(yīng)力集中系數(shù)最大值保持在2.6 MPa。

（2）隨著工作面與巷道之間煤柱寬度的增加，煤柱中彈性區(qū)的范圍也逐漸加大。當(dāng)工作面與巷道之間的煤柱寬度為5 m 時(shí)，整個(gè)煤柱完全塑性破壞，煤柱強(qiáng)度大幅降低；隨著煤柱寬度的加大，煤柱中逐漸出現(xiàn)彈性區(qū)，彈性區(qū)在整個(gè)煤柱中所占的比例逐漸加大，直至煤柱寬度達(dá)到10 m～15 m 時(shí)，煤柱中彈性區(qū)的范圍約占整個(gè)煤柱的1/2。

（3）隨著工作面與回風(fēng)巷道之間煤柱寬度的增加，煤柱的變形量逐漸減少，煤柱寬度為5 m 時(shí)，煤柱的變形量達(dá)260 mm～270 mm 左右；煤柱寬度為10 m～15 m 時(shí)，煤柱的變形量從260 mm 減少到240 mm 左右；煤柱寬度為15 m～20 m 時(shí)，煤柱的變形量維持在100 mm～130 mm 左右；煤柱寬度為25 m～35 m 時(shí)，煤柱的變形量維持在80 mm～100 mm左右。

4 合理煤柱尺寸確定

通過不同煤柱尺寸條件下煤柱應(yīng)力變化及變形，結(jié)合側(cè)向支撐壓力分布（見圖5、圖6），確定工作面與回風(fēng)巷道之間留設(shè)的煤柱尺寸為18 m～22 m 之間，建議保留20 m 的煤柱。在開采過程中對(duì)煤柱采用20 m 留設(shè)并進(jìn)行觀測(cè)，煤柱處垂直應(yīng)力集中系數(shù)最大值保持在2.6 MPa，煤柱中彈性區(qū)的范圍約占整個(gè)煤柱的1/2，煤柱的變形量趨于穩(wěn)定，從F6201 綜放面開采至結(jié)束，礦壓顯現(xiàn)基本穩(wěn)定，未發(fā)生煤柱片幫現(xiàn)象。從整體開采觀測(cè)情況來看，現(xiàn)采用20 m 的煤柱基本合理，得以使F6201 綜放面順利開采，為礦井節(jié)約了寶貴的煤炭資源，而且對(duì)其他同類型礦井的安全開采具有指導(dǎo)意義。

圖5 不同煤柱尺寸側(cè)向支撐壓力

圖6 不同煤柱尺寸側(cè)向煤體變形

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