李文亮

(山西潞安集團 蒲縣伊田煤業(yè)，山西 蒲縣 041204)

數(shù)值模擬法是利用大型有限元計算軟件對不同煤柱尺寸下的巷道圍巖變形、受力及機理進行計算分析，確定合理煤柱尺寸。數(shù)值模擬軟件在模擬過程中，對不同地質(zhì)條件、不同煤柱寬度、不同支護強度條件下的模擬計算操作性比較靈活，模擬結(jié)果基本可以反映煤柱或巷道變形破壞的主要規(guī)律[1-3]，節(jié)省了人力物力成本，具有一定的優(yōu)越性。但計算機模擬也對部分復雜條件進行了一定的簡化，存在參數(shù)取值的可靠性問題[4-5].

1 工程背景

伊田煤礦307工作面埋深為910 m，位于東二下山采區(qū)，東為東二采區(qū)未開發(fā)區(qū)；西為東二運輸機下山及東二回風下山；南為東二采區(qū)未開采區(qū)；北為306采空區(qū)。根據(jù)地質(zhì)資料得知，此區(qū)域的地質(zhì)狀況較為復雜，斷層發(fā)育。煤層厚度2.6～3.0 m，平均2.8 m，平均傾角12°. 工作面煤層賦存穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)復雜，一般含2～3層炭質(zhì)泥巖夾矸。煤層頂?shù)装迩闆r見表1. 307工作面平面圖見圖1.

表1 煤層頂?shù)装鍘r性表

2 模型建立及分析

2.1 建立模型

根據(jù)地質(zhì)資料、沿空巷道與工作面空間位置關系以及巖層柱狀圖建立了東二下山采區(qū)307工作面模擬的地質(zhì)模型。根據(jù)需要，模型的寬度、高度分別確定為50 m和40 m，寬度方向劃分為250個網(wǎng)格，垂直方向劃分為140個網(wǎng)格，共計35 000個單元。模型中煤層的傾角為12°. 計算模型的上部邊界距地表約894 m，上邊界上覆巖層的重量由施加垂直應力進行模擬，由公式p=ρgh確定出垂直應力為22.4 MPa，測壓系數(shù)取1.2模擬計算水平方向應力。模型的底部限制垂直位移，兩側(cè)邊限制水平方向位移。各巖層力學計算參數(shù)見表2.

圖1 307工作面平面布置圖

2.2 模擬方案

沿空掘巷煤柱尺寸的確定原方法是通過經(jīng)驗類比法，從巷道變形破壞情況看，該方法具有盲目性和局限性。結(jié)合煤礦地質(zhì)條件復雜多變的情況，采用數(shù)值模擬計算的方法確定煤柱尺寸較為方便合理[6]. 因此，利用數(shù)值模擬軟件分別對煤柱在4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，14 m不同寬度情況下進行數(shù)值模擬分析，以得到合理的煤柱尺寸。

表2 各巖層力學參數(shù)表

2.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬分析的錨桿預應力大小對巷道穩(wěn)定性影響的結(jié)果取錨桿預應力為60 kN，在煤柱寬度不同情況下巷道圍巖及煤柱塑性區(qū)變化圖見圖2.

由圖2可以看出，隨著煤柱寬度的增大，塑性區(qū)面積也隨著擴大，但煤柱寬度為13 m時，塑性面積突然減小，煤柱寬度為14 m時塑性區(qū)面積又擴大很多，但相比煤柱在6～12 m寬度情況下，巷道圍巖及煤柱范圍內(nèi)的塑性區(qū)面積要小。煤柱在4～6 m寬度時，可以看出巷道圍巖及煤柱范圍內(nèi)的塑性區(qū)面積最小，即巷道和煤柱周圍巖體的破壞范圍或破壞程度較小。巷道頂板的圍巖破壞厚度在1～1.5 m，巷道兩肩窩1.5 m以外巖體處于彈塑性狀態(tài)，較穩(wěn)定。巷道實體煤幫側(cè)都有一定范圍的彈塑性區(qū)域，深度約在0～3.8 m. 隨著煤柱寬度的加大，塑性區(qū)范圍由巷道逐漸向煤柱區(qū)域延伸，整個沿空側(cè)的破壞面積增大，破壞程度加深。巷道底板兩底角圍巖塑性區(qū)范圍隨著煤柱寬度的增大而擴大，底板塑性區(qū)深度約在4.3 m. 從塑性區(qū)演化過程及以上分析可以看出，煤柱寬度在4～6 m時塑性區(qū)范圍相對較小。

不同煤柱寬度下垂直應力分布圖見圖3. 由圖3可以看出，隨著煤柱寬度的加大，煤柱中的垂直應力也在逐漸增大。巷道周圍煤巖體形成一個近似圓形的應力降低區(qū)，應力降低區(qū)域為巷道頂板厚度2～2.6 m，巷道底板應力降低影響深度為4～5 m，實體煤幫為1.5～2 m，沿空側(cè)為2～2.5 m. 煤柱寬度為4～6 m時，煤柱內(nèi)的最大垂直應力為10 MPa，煤柱內(nèi)最大垂直應力作用范圍分別約為整個煤柱的1/2和2/3，煤柱內(nèi)有一小范圍的應力集中，大小為15 MPa. 煤柱寬度為6 m、8 m時，煤柱內(nèi)的最大垂直應力增加到15 MPa，影響范圍隨著煤柱寬度的增大而增加，作用位置偏向采空側(cè)，上覆巖層結(jié)構(gòu)的破斷規(guī)律原因是上覆巖層直接頂在煤體內(nèi)破斷垮落，直接作用于煤柱上方，形成應力升高區(qū)。煤柱寬度為8～12 m時，煤柱內(nèi)的最大垂直應力從20 MPa增加到30 MPa，煤柱寬度12～14 m時煤柱內(nèi)產(chǎn)生了35 MPa垂直集中應力，致使整個煤柱處在高應力作用下。

圖3 煤柱內(nèi)垂直應力曲線圖

不同煤柱寬度下巷道變形量見表3，圖4. 從圖3中看出，煤柱寬度越大，煤柱中的垂直應力越高。在4～6 m時，垂直應力比較小，為10 MPa. 水平應力隨煤柱寬度的增加變化較為緩慢，煤柱寬度為4～8 m時，應力值為一定值，較穩(wěn)定，為10 MPa，但在煤柱寬度8～14 m，水平應力隨煤柱寬度的增加，從15 MPa增加到25 MPa，煤柱在如此高的水平應力作用下發(fā)生剪切破壞，而失去承載能力。

表3 不同煤柱寬度下巷道變形量表

圖4 巷道變形量曲線圖

由圖4可知，兩幫移近量：煤柱寬度在4～8 m時變形量較小，煤柱在8～14 m時位移量迅速增大，煤柱10～14 m時變形量較大。實體煤幫變形量隨著煤柱寬度的增加變形量呈減小趨勢，變化趨勢比較緩和，煤柱15 m時最小。煤柱側(cè)變形量隨著煤柱寬度的增加而增大，煤柱寬度為4～6 m時，煤幫變形量較小，平均只有118 mm，當煤柱寬度為6～12 m時，煤幫變形速率較大，變形量也隨之增大，煤柱寬度為10～14 m時，煤柱變形速率較為緩和比較平穩(wěn)，但變形量很大。頂?shù)装逡平浚弘S著煤柱寬度的增大，頂板下沉量表現(xiàn)出先增大后減小再平緩的變化趨勢，煤柱寬度為4～8 m時，頂板下沉量呈增長趨勢，但煤柱在4～6 m時的下沉量平均只有447 mm，煤柱為8～14 m時，頂板下沉量呈減小趨勢，從數(shù)值上來看，8 m時下沉量最大，為540 mm，平均下沉量為489 mm. 巷道底鼓隨著煤柱寬度的增大底鼓量逐漸加大，但底鼓變形趨勢比較緩和：煤柱寬度為4～6 m時底鼓量相對較小平均為277 mm，煤柱寬度為6～14 m時，底鼓量平均為345 mm. 從受力分析和圍巖變形角度看，選取煤柱寬度為4～6 m時較為合理，既能夠保證煤柱受力的合理性，又能保持煤柱的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

在深部礦井開采過程中，煤柱寬度的大小對巷道的穩(wěn)定性起著重要的作用，煤柱寬度不同，巷道圍巖的塑性區(qū)分布范圍和影響深度有著較大的差異，巷道圍巖周圍應力大小及分布也隨著變化，相對應的巷道圍巖的變形量有較大的差別。煤柱寬度越大越有利于巷道的穩(wěn)定，但同時造成嚴重的煤炭資源浪費，從模擬結(jié)果得知，煤柱寬度為4～6 m時既能夠保證煤柱受力的合理性，又能保持煤柱的穩(wěn)定性。