孟學(xué)超

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)沙鋼礦業(yè)投資有限公司，山西 臨汾 043500）

0 引 言

房柱式開(kāi)采作為一種常見(jiàn)的采煤方法，由于其開(kāi)采工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，故在中小型煤礦應(yīng)用較為廣泛，但同時(shí)也帶來(lái)的卻是大量煤炭資源的浪費(fèi)。為了提高煤炭資源的回收利用率，需要對(duì)護(hù)巷煤柱進(jìn)行二次開(kāi)采。本文主要針對(duì)平舒煤礦房柱式開(kāi)采煤層的二次開(kāi)采進(jìn)行研究，通過(guò)判斷舊采煤區(qū)煤柱群的穩(wěn)定性，作為復(fù)合殘采區(qū)煤柱群穩(wěn)定性的判定依據(jù)。

利用有限差分的方法對(duì)舊采煤區(qū)煤柱群的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，這將為復(fù)合殘采區(qū)煤柱群穩(wěn)定性的判定提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間[1-2]。

1 煤柱穩(wěn)定性有限元分析

有限差分軟件FLAC是一種采用混合-離散分區(qū)技術(shù)，同時(shí)使用拉格朗日顯示解方案對(duì)巖土結(jié)構(gòu)受力和塑性流動(dòng)進(jìn)行非線性分析的軟件。

1.1 材料特性的確定和網(wǎng)格劃分

殘采層的煤層高度為5.8m，沿底板開(kāi)采高度為4.6m。其中，殘采空區(qū)采用采6m，留7m的采煤方法，兩巷外側(cè)預(yù)留30～60m的護(hù)巷煤柱。當(dāng)對(duì)上述范圍的中間30m煤柱進(jìn)行開(kāi)采時(shí)，采用采6 m，留6 m的采煤方法。

可開(kāi)采煤層的地質(zhì)分布整體較為穩(wěn)定：其底板標(biāo)高為1030～1060m，煤層厚度基本保持在5.87m左右。該處煤層含一層夾矸，該層夾矸的主要成分由泥巖組成，厚度基本在0.55～0.77m范圍分布[3]。

由于殘采區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造較為特殊，其巖體種類呈多樣性，這樣對(duì)有限元分析帶來(lái)較大的困難，需要根據(jù)殘采區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)巖體進(jìn)行合理的歸類，提高有限元分析的效率。因此，對(duì)礦區(qū)的巖體材料特性簡(jiǎn)化為見(jiàn)表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

圖1 有限元網(wǎng)格劃分

為了提高計(jì)算速度，本文取實(shí)際尺寸的一半對(duì)稱進(jìn)行三維建模，然后對(duì)其進(jìn)行有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖1所示，本次共劃分420000個(gè)單元和506337個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2 有限元邊界條件設(shè)置和載荷施加

在進(jìn)行煤炭開(kāi)采時(shí)，巖體本身除受到工程影響的作用力外，其自身還要受到地應(yīng)力的作用。地應(yīng)力作用主要包括兩個(gè)方面，巖體自身的自重和地質(zhì)構(gòu)造過(guò)程中巖體受到的構(gòu)造應(yīng)力。其中自重應(yīng)力主要是由巖石受到的巖層的比重、泊松比和埋深等確定的。而構(gòu)造應(yīng)力由于其成形的時(shí)間和空間的特性，增加了其計(jì)算的難度，通過(guò)對(duì)該處采煤去地質(zhì)資料的查詢發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巖層的影響相對(duì)較小，因此可以忽略不計(jì)。

1.3 有限元結(jié)果分析

煤礦房柱式開(kāi)采過(guò)程中巖體受力狀態(tài)是否穩(wěn)定，主要由圍巖和煤柱的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)和塑性流動(dòng)區(qū)等決定[4-5]。

本文主要對(duì)煤層舊采區(qū)房柱式開(kāi)采進(jìn)行數(shù)值分析。由于舊采區(qū)采場(chǎng)開(kāi)采已經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間，其采煤柱和圍巖的應(yīng)力已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此對(duì)舊煤區(qū)開(kāi)采模擬采用一體式開(kāi)挖，有限元分析結(jié)果如下。

圖2 最大主應(yīng)力σmax圖

圖2 表示原采空區(qū)煤柱群的應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，采空區(qū)煤柱群的應(yīng)力分布規(guī)律為，煤柱中部區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，四周區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力。應(yīng)力值以中部區(qū)域最大，四周區(qū)域緩慢減小。應(yīng)力最大值為5.8MPa。根據(jù)煤柱群的應(yīng)力分布狀態(tài)以及應(yīng)力值的大小分布，可以看出煤柱群的四周極容易出現(xiàn)拉伸破壞。

圖3 豎向應(yīng)力圖

圖4 豎向位移圖

圖3 、圖4表示原采空區(qū)煤柱群的豎向應(yīng)力和位移，從圖中可以看出，采空區(qū)的中部煤柱受到的豎直應(yīng)力最大且其豎直位移也最大。由于煤柱中部主要受到上覆巖層的壓應(yīng)力，因此其主要豎直應(yīng)力也表現(xiàn)為壓應(yīng)力。煤柱的周圍邊角區(qū)域受到在應(yīng)力較小，由于采場(chǎng)地質(zhì)條件的限制，導(dǎo)致該區(qū)域遠(yuǎn)端一側(cè)出現(xiàn)較小的正向位移。

通過(guò)對(duì)采空區(qū)煤柱的最大主應(yīng)力，豎向應(yīng)力和豎向位移的分析可以看出采場(chǎng)區(qū)中部煤柱群受到應(yīng)力值較大且位移破壞較為嚴(yán)重，因此該區(qū)域是影響整個(gè)采場(chǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵部位。

為了更加準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)到影響開(kāi)采穩(wěn)定性的區(qū)域，對(duì)采空區(qū)設(shè)置了多條監(jiān)測(cè)路線，主要布置在煤柱圍巖活動(dòng)受到應(yīng)力較為集中且變形較大的地方。監(jiān)測(cè)線路平行于兩巷，離底板高度為2.3m，長(zhǎng)度范圍在30-370m之間。通過(guò)對(duì)有限元數(shù)據(jù)的分析，得出最合理監(jiān)測(cè)路徑的分析結(jié)果如下圖所示：

圖5 沉降曲線

從圖5可以看出殘煤開(kāi)采后中部煤柱的應(yīng)力場(chǎng)較為集中，其最大值為20.8MPa，比四周煤柱的應(yīng)力值大55.7%；殘煤開(kāi)采后導(dǎo)致采煤場(chǎng)煤柱出現(xiàn)沉降，沉降位移分布呈四周高，中間低的趨勢(shì)，其中中部煤柱群的下沉量為四周下沉量的2.2倍。

2 結(jié) 語(yǔ)

利用有限差分軟件FLAC對(duì)采空區(qū)巖體和煤柱受到煤炭開(kāi)采影響的應(yīng)力和位移進(jìn)行有限元分析得知：①原采空區(qū)煤柱群應(yīng)力分布規(guī)律為，煤柱中部區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，四周區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力。應(yīng)力值以中部區(qū)域最大，四周區(qū)域緩慢減小。根據(jù)煤柱群的應(yīng)力分布狀態(tài)以及應(yīng)力值的大小分布，可以看出煤柱群的四周極容易出現(xiàn)拉伸破壞；②豎向應(yīng)力和位移為煤柱破壞的關(guān)鍵因素，通過(guò)合理的監(jiān)測(cè)路徑的布置，為后續(xù)采煤煤柱群應(yīng)力場(chǎng)的穩(wěn)定性分析提供幫助。