楊保國(guó)

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 古交 030200）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤炭產(chǎn)量只有約1/3為科學(xué)產(chǎn)能。通過合理的預(yù)留煤柱，是提高井下巷道安全的主要措施之一。有研究表明，煤柱寬度與其側(cè)向支撐壓力的分布和巷道圍巖變形情況密切相關(guān)，并非煤柱的寬度越寬，對(duì)保護(hù)巷道的支護(hù)效果就越好。因此有必要對(duì)預(yù)設(shè)煤柱的寬度進(jìn)行研究分析。

1 概況

西曲礦位于古交市汾河北岸，井田面積40.7km2，井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，主要含煤層為石炭系太原組和二迭系山西組，共含14層煤，全區(qū)可采煤層厚度為13.65m，可采儲(chǔ)量3.43億t，煤層賦存平緩，傾角5?～8?。西曲礦水文地質(zhì)條件中等，可采煤層5層，分別為：2#、4#、7#、8#、9#煤。

2 區(qū)段煤柱合理寬度的理論計(jì)算

根據(jù)對(duì)綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析，煤體側(cè)向支撐壓力出現(xiàn)峰值處到巷幫最遠(yuǎn)為6m，可知煤柱回采側(cè)塑性變形區(qū)寬度x0=6m；煤柱高度M=5.3m，得到煤柱彈性核寬度2M=10.6mm；可以對(duì)煤柱工作面巷道側(cè)塑性變形區(qū)寬度x1進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)極限平衡理論，計(jì)算遠(yuǎn)離工作面?zhèn)人苄詤^(qū)寬度為：

式中：

M-煤柱高度，取值5.3m；

λ-側(cè)壓系數(shù)；

μ-泊松比，取值0.28；

φ-煤體內(nèi)摩擦角，取值38°；

K-應(yīng)力集中系數(shù)，取值2.6（根據(jù)兩側(cè)應(yīng)力峰值和煤柱原巖應(yīng)力計(jì)算）；

ρ-上覆巖層的平均容比，取值2.4t/m3；

H-巷道埋深，取值135m；

C0-煤體內(nèi)聚力，取值2.12MPa。

將上述參數(shù)值代入（1）、（2）式中可計(jì)算得：

將x0、x1、M值代入下式可以得出區(qū)段煤柱寬度：

綜上計(jì)算可知，1#綜采工作面煤層區(qū)段煤柱寬度不應(yīng)小于24m。

3 支護(hù)效果數(shù)值模擬

通過采用數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D，在綜合考慮模型邊界效應(yīng)的影響以及工作面圍巖特性的基礎(chǔ)上，對(duì)煤巖層采用矩形網(wǎng)格創(chuàng)建數(shù)值模型，采用“摩爾-庫(kù)侖”力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。設(shè)置采高為5.3m，埋深為136m；模型大小規(guī)格為260×25×80m。由于煤層傾角較小，不考慮傾角對(duì)模型的影響。計(jì)算過程中對(duì)模型下表面分別施加水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力，兩側(cè)面施加水平應(yīng)力，并對(duì)位移進(jìn)行固定?？紤]到覆巖層重力的影響，在模型上表面施加垂直應(yīng)力，具體計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 FLAC3D計(jì)算模型圖

3.1 計(jì)算參數(shù)的確定

通過煤巖力學(xué)試驗(yàn)以及參照相關(guān)的地質(zhì)測(cè)量資料，得到巖體煤層具體物理參數(shù)如下表所示。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)表

3.2 數(shù)值模擬方案

在煤巖性質(zhì)等基本條件不變的前提下，分別以20m和30m兩種尺寸進(jìn)行數(shù)值模擬。在工作面開挖前設(shè)置30m的邊界煤柱，不同區(qū)段煤柱兩側(cè)分別開設(shè)有長(zhǎng)20m×寬6m×高5m的巷道，巷道頂板支撐力為0.7MPa，巷道各面均采用錨網(wǎng)索支護(hù)。

3.3 模擬結(jié)果分析

圖2 煤柱塑性區(qū)分布圖

圖2所示為不同寬度煤柱對(duì)應(yīng)的塑性區(qū)分布圖，煤柱的一側(cè)為支護(hù)完好的巷道，另一側(cè)為采空區(qū)。從圖中可以看出，煤柱寬度為20m時(shí)，形成了彈性核區(qū)，其寬度為7m。根據(jù)巷道采動(dòng)過程中煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是中間彈性核的寬度要大于采高（5.3m）的兩倍，可知在煤柱寬度為20m時(shí)，巷道采動(dòng)過程中會(huì)形成較大的煤柱塑性區(qū)，且變形較大，不利于巷道支護(hù)，容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

當(dāng)煤柱寬度為25m時(shí)，其形成的彈性核區(qū)寬度達(dá)11m，滿足煤柱保持穩(wěn)定的基本條件，煤柱的穩(wěn)定性較好。繼續(xù)增大煤柱寬度至30m時(shí)，彈性核區(qū)寬度為17m，表明煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)，且隨著煤柱寬度的增大，其形成的彈性核區(qū)不斷增大。

通過上述理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析可知，在不影響煤礦安全開采的前提下，選擇留設(shè)25m寬度煤柱，可以提高煤炭的采出率。

4 礦壓觀測(cè)

根據(jù)理論計(jì)算，工作面煤柱寬度按照25m進(jìn)行設(shè)置。為了對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)工作面區(qū)段煤柱側(cè)向表面位移的變化進(jìn)了觀察分析。圖3、圖4所示為回采過程中，工作面回風(fēng)巷幫移近量和移近速度的變化曲線圖。

圖3 煤柱側(cè)幫移近量變化曲線

圖4 煤柱側(cè)幫移近速度變化曲線

從圖3和圖4可以看出，整體而言移近量和移近速度隨著距工作面煤壁距離的增加而減小，但是當(dāng)距離大于40m以后，煤柱側(cè)幫移近量增長(zhǎng)變緩，每日的平均移近速度約為6mm/d；距工作面煤壁距離小于20m后，煤柱側(cè)幫移近量開始顯著增加，每日的變形量約為65mm；當(dāng)距離小于10m后，由于附近煤體呈現(xiàn)塑性分布狀態(tài)，煤柱側(cè)幫移近量出現(xiàn)急劇上升，但是整體變形在170mm范圍內(nèi)，符合正常開采的要求。因此工作面留設(shè)25m寬度的煤柱可以滿足煤礦正常開采需要。

5 結(jié)論

根據(jù)煤柱保持穩(wěn)定的基本條件，對(duì)工作面區(qū)段煤柱合理寬度進(jìn)行理論計(jì)算，得出煤柱寬度不應(yīng)小于24m。應(yīng)用數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明在不影響煤礦安全開采的前提下，選擇25m寬度的區(qū)段煤柱，可以提高煤炭的采出率，保證安全生產(chǎn)。