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        基于能量耗散留設(shè)窄煤柱合理尺寸研究

        2019-10-11 00:55:04
        2019年9期
        關(guān)鍵詞:空掘巷煤體煤柱

        何 凱

        (潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦,山西 長治 046102)

        在我國淺部煤炭資源逐漸枯竭,礦井轉(zhuǎn)入深部開采的背景下,沿空掘巷作為一種綠色開采技術(shù),經(jīng)多年發(fā)展已經(jīng)普遍應用于我國眾多深部礦井開采。沿空掘巷不僅能夠有效提高煤炭采出率,而且能夠緩解沿空巷道應力集中的現(xiàn)象,保障采煤工作面的安全正?;夭蒣1-2]。沿空掘巷可以分為完全無煤柱沿空掘巷和留窄煤柱沿空掘巷,其中留窄煤柱沿空掘巷應用較為廣泛[3],然而當前眾多研究中,針對窄煤柱留設(shè)的模擬研究方法一般采用塑性區(qū)、位移等因素進行分析確定,對基于能量研究的方法卻很缺乏,而且能量是導致煤柱發(fā)生破壞的本質(zhì)原因。因此本文基于某礦2101W工作面的實際條件,利用能量法進行窄煤柱留設(shè)尺寸的確定,為礦井煤柱設(shè)計提供理論依據(jù)。

        1 工程背景

        某礦2101W工作面埋深635.5 m,煤層平均厚度3.0 m,煤層傾角16~20°,平均18°,工作面采用全部垮落法綜合機械化采煤法,2101W工作面相鄰區(qū)段工作面已采畢,如圖1所示,原先礦井相關(guān)工作面布設(shè)25 m煤柱,但回采巷道依舊變形嚴重,而且也降低了煤炭采出率。2101W工作面采用沿空掘巷技術(shù),沿空巷道為回風巷,巷道斷面如圖2所示,同時為了更好進行沿空巷道布置,2101W工作面采用鉆孔應力計進行側(cè)向支承應力的監(jiān)測,峰值在臨空煤體約13.2 m處。

        2 沿空掘巷窄煤柱理論尺寸確定

        依據(jù)沿空掘巷定義(此處均指留設(shè)窄煤柱沿空掘巷),沿空巷道通常被布置在臨近破碎區(qū)的沿臨空煤體塑性區(qū)內(nèi),因此基于文獻[4],由于煤體破碎區(qū)邊界處煤體所受應力等于原巖應力,邊界處的應力集中系數(shù)為1,有下列公式:

        圖1 2101W工作面巷道布置

        圖2 巷道斷面示意(mm)

        (1)

        式中:m為采高,取m=3.0 m;α為煤層傾角,取α=15°;A為側(cè)壓系數(shù),取A=0.5;γ為上覆巖層平均體積力,取γ=0.27 MN/m3;H為巷道埋深,取H=532.5 m;φ0為煤體內(nèi)摩擦角,取φ0=32°;C0為煤體內(nèi)聚力,取C0=3.0 MPa;Px為上區(qū)段工作面巷道煤幫的支護阻力,取Px=0.4 MPa。

        為保證煤柱安全穩(wěn)定,方便打設(shè)錨桿(索),通常設(shè)計一定的安全尺寸,即如圖3所示,圖中X1為(1)式x0所表示的破碎區(qū)寬度,X2為支護構(gòu)件長度,一般為錨桿長度,此處取2.4 m,X3為煤柱安全尺寸,該尺寸與X1和X2存在關(guān)系,即X3=(X1+X2) (15%~30%)。

        圖3 沿空掘巷窄煤柱寬度

        則有:

        B=X1+X2+X3

        (2)

        基于前述數(shù)據(jù)可計算理論條件下煤柱尺寸范圍B=6.29~7.11 m。下一步將通過不同煤柱能量釋放量對煤柱尺寸進行綜合判定。

        3 沿空掘巷窄煤柱留設(shè)數(shù)值模擬

        3.1 模型參數(shù)

        基于理論計算的煤柱尺寸范圍,設(shè)計煤柱尺寸方案:6 m,7 m,8 m,9 m,同時建立如圖4所示的FLAC3D模型,模型前后左右方向邊界水平固定,底部邊界垂直固定,模型尺寸為400 m×400 m×310 m,并在模型頂部施加垂直應力σzz=16.3 MPa,模擬模型頂部至地表的原巖應力,其中模型中各巖層參數(shù)如表1所示。

        表1 模擬所需各巖層參數(shù)

        圖4 數(shù)值模型

        3.2 窄煤柱能量耗散分布

        巷道煤體能量逐漸耗散將導致煤體發(fā)生破壞,基于熱力學第一定律[5],如式(3)所示,當外界對煤體做功時,即U,煤柱將產(chǎn)生發(fā)生形變,在形變過程中伴隨著能量釋放,其中Ue表示煤體內(nèi)部可釋放彈性能逐漸釋放的過程,當可釋放彈性能超過煤體表面可抵抗破壞的最大表面能時,煤體將發(fā)生破壞,而未耗散的能量將儲存在煤體內(nèi)部,即Ud,因此當煤體可釋放應變能越大時,表示煤體越不穩(wěn)定,即煤柱越容易發(fā)生破壞。

        Ud=U-Ue

        (3)

        基于該準則,利用FLAC3D設(shè)計程序?qū)ι鲜鏊姆N煤柱方案進行模擬,提取數(shù)據(jù)制成如圖5所示的不同方案下的煤柱可釋放彈性能分布云圖,圖6為四種煤柱方案可釋放彈性能最大值分布圖。

        由圖5可知,從整體觀察,可釋放彈性能范圍和高度隨著煤柱寬度的增加而增大,其中煤柱6~7 m變化不大,但煤柱在7~9 m時變化明顯,說明煤柱6 m到7 m時,煤柱內(nèi)部整體比較穩(wěn)定,這是由于煤柱大部分已為破碎區(qū),能量釋放已趨近平穩(wěn),而煤柱增大后,煤柱破碎區(qū)范圍占據(jù)逐漸減小,而且隨著煤柱尺寸的增加,沿空巷道逐漸遠離低應力區(qū),造成煤柱受側(cè)向支承應力峰值影響強烈,基于工程背景,側(cè)向應力峰值位置為13.2 m,巷道寬度4.5 m,則煤柱為8 m時,沿空巷道已臨近側(cè)向支承應力峰值,即煤柱受側(cè)向支承應力峰值的影響增強,當煤柱為9 m時,沿空巷道正處于側(cè)向應力峰值下,煤柱也因此受到更加強烈的峰值應力影響。

        由圖6可知,煤柱為6 m時可釋放彈性能432 kJ,7 m煤柱時可釋放彈性能451 kJ,相應8 m煤柱為536 kJ,9 m煤柱為622 kJ,即7m相對于6 m煤柱,能量增長幅度為4.40%,而8 m相對于7 m煤柱和能量增幅18.85%,9 m相對于8 m增幅16.04%,即當煤柱超過7 m后,能量釋放增幅均為兩位數(shù),結(jié)合圖5分析,確定在煤柱為8 m和9 m時,煤柱的整體穩(wěn)定性開始下降,同時6 m煤柱雖然能量釋放值比7 m煤柱小,但是基于煤柱理論范圍,以及煤柱承載能力等方面考慮,7 m效果較6 m煤柱更合適。

        圖5 不同寬度煤柱可釋放應變能分布云圖

        圖6 不同煤柱方案可釋放彈性能最大值分布

        4 結(jié) 語

        1) 基于煤柱留設(shè)理論計算,確定合理窄煤柱留設(shè)寬度范圍B=6.29~7.11 m;

        2) 利用FLAC3D進行不同煤柱方案的可釋放彈性能分析,通過綜合考慮煤柱整體穩(wěn)定性及承載能力等因素,確定7 m煤柱為最優(yōu)尺寸。

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