劉昊鵬

(西山煤電股份公司 西銘礦，山西 太原 030022)

工作面煤炭資源回收率是衡量礦井管理技術(shù)水平高低的重要標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)幾十年的工程實(shí)踐和不斷探索，沿空掘巷留窄煤柱技術(shù)已逐步成為綜采面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效和高回收率的重要手段。然而，對(duì)窄煤柱合理寬度的確定，從1 ～5 m 到15 ～25 m，一直沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，結(jié)論差別較大，且研究其合理值的方法多采用經(jīng)驗(yàn)法、理論計(jì)算法、數(shù)值模擬等。采用經(jīng)驗(yàn)法和理論計(jì)算法，由于影響煤柱應(yīng)力行為的因素較多，研究對(duì)象過(guò)于復(fù)雜，導(dǎo)致科學(xué)性、可靠性無(wú)法保證。而數(shù)值模擬方法可模擬不同地質(zhì)條件、不同煤柱寬度甚至不同支護(hù)強(qiáng)度下煤柱的受力、變形等，具有較大的優(yōu)勢(shì)。

西山煤電股份公司西銘礦8#煤為厚煤層，48406綜采工作面采用沿空掘巷留設(shè)窄煤柱技術(shù)，通過(guò)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立力學(xué)計(jì)算模型，為合理煤柱寬度的確定提供可靠的理論依據(jù)。

1 工程技術(shù)條件

西銘礦南四采區(qū)48406 綜采工作面所采8#煤層裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度4.4 ～4.85 m，平均4.59 m，煤層厚度與煤層結(jié)構(gòu)變化不大，屬單一穩(wěn)定的厚煤層，工作面標(biāo)高+1 093 ～+1 118 m，地面標(biāo)高+1 246 ～+1 375 m，工作面煤層傾角2° ～10°，工作面區(qū)域內(nèi)分布有7 條斷層，2 處陷落柱，且局部地段節(jié)理發(fā)育。采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤方法、全部垮落法管理頂板，工作面長(zhǎng)度200 m，走向長(zhǎng)度517 m。煤層頂?shù)装鍡l件見(jiàn)表1。

表1 48406 工作面煤層頂?shù)装鍡l件

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立計(jì)算模型及模擬方案

FLAC3D數(shù)值計(jì)算方法是一種解決采礦與巖土力學(xué)問(wèn)題的有力工具，在解析存在困難的時(shí)候，有著突出的優(yōu)越性，它可以考慮眾多的影響因素，進(jìn)行多方案的快速比較，在參數(shù)敏感性分析中具有明顯優(yōu)勢(shì)，是一種新型的數(shù)值模擬方法。

根據(jù)該工作面和巷道的空間位置關(guān)系，建立三維數(shù)值模型的走向長(zhǎng)300 m，高度50 m，寬度100 m，煤層厚度為4.6 m，巷道寬為4 m，高度為3 m，模型上方施加2.5 MPa 的壓力。模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底面限制垂直移動(dòng)，上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量。依據(jù)建模原則，采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則判斷巖體的應(yīng)力變化規(guī)律及破壞場(chǎng)與位移場(chǎng)的分布和演化規(guī)律。

為了選擇合適的煤柱寬度，分別對(duì)煤柱3 m、5 m、7 m 和9 m 等4 種不同寬度下巷道的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)變化情況進(jìn)行模擬分析。

2.2 不同寬度下煤柱的應(yīng)力場(chǎng)和位移分析

1)應(yīng)力場(chǎng)分析。

垂直應(yīng)力分布特征隨護(hù)巷煤柱寬度變化的分布情況見(jiàn)圖2。

圖2 垂直應(yīng)力分布云圖

由圖2 可知，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值在逐漸增大，而巷幫實(shí)體煤內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值逐漸減小。這說(shuō)明隨煤柱寬度的增加，煤柱承載能力逐漸提高，而巷幫實(shí)體煤內(nèi)的應(yīng)力有逐漸向煤柱轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。當(dāng)煤柱寬度達(dá)到一定值時(shí)(如7 m)，煤柱內(nèi)和巷幫實(shí)體煤內(nèi)的應(yīng)力峰值大體相等，這時(shí)煤柱和巷幫實(shí)體煤都同時(shí)承受著較大的應(yīng)力峰值;而煤柱寬度進(jìn)一步增大后(如9 m)，煤柱內(nèi)的應(yīng)力峰值遠(yuǎn)超過(guò)巷幫實(shí)體煤內(nèi)的應(yīng)力峰值，煤柱起主要承載作用。

由圖2 表明:留設(shè)3 m 煤柱時(shí)，煤柱處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，且小于原巖應(yīng)力，垂直應(yīng)力峰值處于實(shí)體煤側(cè)約5 m 處，沿空掘巷巷道處于應(yīng)力降低區(qū)域且垂直應(yīng)力小于原巖應(yīng)力，煤柱側(cè)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)體煤側(cè)的應(yīng)力疊加值，實(shí)體煤側(cè)承受了垂直應(yīng)力的峰值;留設(shè)5 m 煤柱時(shí)，煤柱仍然處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，垂直應(yīng)力峰值位于實(shí)體煤側(cè)，煤柱上方垂直應(yīng)力與原巖應(yīng)力接近，但小于實(shí)體煤側(cè)的應(yīng)力集中值，實(shí)體煤側(cè)主要承載了應(yīng)力峰值;留設(shè)7 m 煤柱時(shí)，煤柱上方的應(yīng)力集中值仍小于實(shí)體煤側(cè)的垂直應(yīng)力，但是與實(shí)體煤側(cè)的應(yīng)力集中值相近，實(shí)體煤側(cè)和煤柱同時(shí)承載了較大的應(yīng)力峰值;留設(shè)9 m 煤柱時(shí)，實(shí)體煤側(cè)位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，而垂直應(yīng)力的峰值則位于煤柱上方，煤柱承載了峰值壓力。煤柱與實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力峰值曲線圖見(jiàn)圖3。

圖3 垂直應(yīng)力峰值隨煤柱寬度的變化圖

由圖3 可以看出，隨著煤柱寬度的增加，應(yīng)力峰值由實(shí)體煤側(cè)向煤柱側(cè)轉(zhuǎn)移，實(shí)體煤側(cè)始終大于煤柱側(cè)的壓力;當(dāng)煤柱寬度大于一定值(此處為7 m)，隨著煤柱寬度的增加，實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力峰值小于煤柱側(cè)應(yīng)力峰值，此時(shí)煤柱承載了較大的應(yīng)力峰值。

考慮到煤層進(jìn)行正常開(kāi)采后，開(kāi)采期間側(cè)向支承應(yīng)力與掘巷期間應(yīng)力峰值相疊加，給回采期間煤柱的穩(wěn)定性帶來(lái)了困難。因此，從數(shù)值模擬分析，煤柱寬度不宜超過(guò)約7 m 的臨界值。

2)位移場(chǎng)分析。

沿空掘巷巷道位移變化量見(jiàn)圖4。

圖4 表面位移隨煤柱寬度的變化圖

由圖4 可以看出，留設(shè)3 m 煤柱和9 m 煤柱情況下，水平位移與垂直位移比較大;留設(shè)5 m 和7 m 煤柱時(shí)，水平位移與垂直位移均較小，且二者變形的位移量相近。3 m 煤柱變形量最大，9 m 煤柱次之，煤柱寬度在7 m 以上時(shí)，其表面位移呈增大趨勢(shì)。因此，在選擇煤柱寬度時(shí)應(yīng)以5 ～7 m 為宜。

因此，結(jié)合沿空掘巷巷道的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布的數(shù)值模擬分析，確定煤柱寬度為5 ～7 m。

3 工程實(shí)踐

3.1 圍巖控制技術(shù)

48406 綜采工作面沿空掘巷窄煤柱留設(shè)寬度為6 m，巷道寬度為4 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐時(shí)，采用高強(qiáng)度高預(yù)緊力錨桿支護(hù)，錨索滯后加固頂板并加強(qiáng)窄煤柱幫控制，進(jìn)行實(shí)體煤幫的動(dòng)態(tài)控制等手段，對(duì)巷道圍巖控制進(jìn)行重點(diǎn)研究。主要支護(hù)參數(shù)如下:錨桿采用d20 mm 的20MnSi 的左旋螺紋鋼高強(qiáng)度錨桿，頂板和兩幫錨桿長(zhǎng)度均為2 400 mm，頂錨桿和幫錨桿排距均為800 mm，頂錨桿間距900 mm，窄煤柱幫錨桿間距為700 mm，實(shí)體煤幫錨桿間距為800 mm。錨桿支護(hù)附件包括:金屬網(wǎng)、梯子梁、托盤(pán)等，頂板、兩幫配套使用金屬網(wǎng)，梯子梁采用直徑14 mm 的圓鋼焊接，所有托盤(pán)使用鋼托盤(pán)，托盤(pán)厚度10 mm，金屬網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)間距不大于20 mm;錨索直徑為17.8 mm，錨索長(zhǎng)度7 300 mm，錨索間排距:間距1 600 mm，排距2 400 mm。錨索支護(hù)附件:每根錨索采用一塊400 mm ×400 mm ×10 mm 的18#鋼板，一塊規(guī)格為100 mm ×100 mm ×10 mm 的18#鋼板，鎖具一套。支護(hù)斷面示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 巷道支護(hù)斷面示意圖

3.2 沿空巷道位移監(jiān)測(cè)

48406 綜采面在實(shí)際生產(chǎn)中，分別采用離層儀、多點(diǎn)位移計(jì)等儀器，對(duì)沿空巷道設(shè)定4 處測(cè)站進(jìn)行了變形收斂量監(jiān)測(cè)，研究發(fā)現(xiàn):

1)錨桿錨固范圍內(nèi)頂板離層值為16 ～30 mm，錨索錨固范圍內(nèi)頂板離層值為8 ～33 mm，總離層值為24 ～63 mm。可見(jiàn)，頂板巖層的下沉量以錨桿錨固范圍內(nèi)的頂板離層為主。

2)巷道掘進(jìn)期間頂?shù)装逑鄬?duì)移動(dòng)量為125 ～157 mm，兩幫相對(duì)移近量為146 ～178 mm。巷道掘進(jìn)初期，巷道圍巖變形速度較大，30 d 后，頂?shù)装濉蓭拖鄬?duì)移近速度分別小于0.08 mm/d、0.17 mm/d，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

3)在巷道掘出后30 d 內(nèi)，頂板巖層處于劇烈活動(dòng)期，30 d 后頂板巖層運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，但是離層值、圍巖變形量仍在緩慢增大。

3.3 應(yīng)用效果

48406 綜采工作面經(jīng)過(guò)了6 個(gè)多月的工業(yè)性試驗(yàn)，窄煤柱沿空側(cè)變形穩(wěn)定，沿空巷道圍巖變形可控，工作面實(shí)現(xiàn)單日最高產(chǎn)量1.12 萬(wàn)t，單月最高產(chǎn)量25.26 萬(wàn)t。

4 結(jié) 論

通過(guò)數(shù)值模擬研究，得出本條件下沿空掘巷窄煤柱的合理寬度為5 ～7 m，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中將窄煤柱寬度定為6 m，為工作面巷道的合理布置提供了合理依據(jù)，并通過(guò)對(duì)沿空巷道進(jìn)行合理支護(hù)，使工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐取得了良好的應(yīng)用效果。

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