閆大鶴

(華晉焦煤有限責(zé)任公司 沙曲一號(hào)煤礦，山西 呂梁 033300)

我國(guó)眾多礦區(qū)使用留窄煤柱綜放沿空掘巷技術(shù)，其中留設(shè)合理寬度的煤柱是確保厚煤層沿空掘巷工作面順利、安全回采的關(guān)鍵[1-3].厚煤層沿空掘巷煤柱的主要作用：隔絕采空區(qū)、承擔(dān)上覆巖層的載荷。當(dāng)煤柱寬度過(guò)小時(shí)，在上覆載荷作用下可能會(huì)直接發(fā)生破壞；當(dāng)煤柱寬度過(guò)大時(shí)，煤柱可能受到側(cè)向支承壓力峰值的影響，引起較大的變形使其穩(wěn)定性降低。由于各煤礦之間的地質(zhì)條件、煤層厚度、煤的性質(zhì)等因素的影響，使得煤柱合理寬度的界限有很大的局限性[4,5].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沿空掘巷進(jìn)行了大量的工程研究，以尋找沿空掘巷煤柱留設(shè)寬度合理的統(tǒng)一界限[6,7].本文在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)沙曲一礦4305膠帶巷合理煤柱寬度進(jìn)行分析研究，以確保工作面安全高效開(kāi)采。

1 工程概況

沙曲一礦4305工作面位于+400 m水平，三采區(qū)，北面為4306工作面采空區(qū)，東距賀昌煤業(yè)有限公司礦界50 m，南部為未采區(qū)，西側(cè)為原4305采空區(qū)。地面標(biāo)高867～1 002 m，工作面標(biāo)高557.4～604.4 m.煤層厚度為3.9～4.2 m，工作面采高為3.8 m.4305工作面膠帶巷位于原4305采空區(qū)以里，設(shè)計(jì)該巷道沿4306工作面采空區(qū)邊緣掘進(jìn)。工作面傾向布置，走向長(zhǎng)度174 m，傾向可采平均長(zhǎng)度396 m.工作面位置圖見(jiàn)圖1.

圖1 4305膠帶巷平面位置圖

2 4305膠帶巷護(hù)巷煤柱寬度計(jì)算

巷道塑性區(qū)計(jì)算模型見(jiàn)圖2，塑性區(qū)寬度(應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度)R為:

圖2 巷道塑性區(qū)計(jì)算模型圖

(1)

式中：

m—工作面采高，m，取3.8；

λ—側(cè)壓系數(shù)，取0.4；

φ0—煤體內(nèi)摩擦角，(°)，取29；

k—應(yīng)力集中系數(shù)，取2.5；

C0—煤體黏聚力，MPa，取1.5；

γ—上覆巖層平容重，kN/m3，取0.025；

H—開(kāi)采深度，m，取350；

Px—巷道支架對(duì)煤幫的支護(hù)強(qiáng)度，MPa，取0.1.

根據(jù)極限平衡理論,求得工作面周邊煤體塑性區(qū)寬度R0為：

(2)

式中：

M—煤層開(kāi)采厚度，m，取4.2；

k—回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)，取3.5.

將各參數(shù)分別代入式(1)和式(2)，計(jì)算得：R=2.9 m，R0=3.8 m.

Y=aR0+dR

(3)

式中：

a—掘進(jìn)影響系數(shù)，取1.2；

d—開(kāi)采影響系數(shù)，取1.1.

計(jì)算得4305工作面護(hù)巷煤柱最小寬度為：Y=7.8 m.

通過(guò)極限平衡等相關(guān)理論計(jì)算，得到采空區(qū)側(cè)和巷道側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度的取值范圍，保證巷道圍巖穩(wěn)定，煤柱中間必須具有一定承載能力，煤柱中間穩(wěn)定區(qū)域的寬度為塑性區(qū)寬度的50%.綜合以上條件，確定煤柱的寬度為8 m.

3 數(shù)值模擬優(yōu)化

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)的確定

根據(jù)4305工作面實(shí)際地質(zhì)條件，建立模型尺寸420 m×200 m×160 m，單元總數(shù)為457 760.數(shù)值模型見(jiàn)圖3.模型上邊界施加邊界載荷p=10 MPa以模擬上覆巖層自重，模型另外3個(gè)邊界均為位移約束。巷道圍巖及煤體各參數(shù)見(jiàn)表1.

圖3 數(shù)值模型示意圖

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 數(shù)值模擬分析

3.2.1掘進(jìn)階段不同煤柱寬度巷道應(yīng)力場(chǎng)分布

4306工作面開(kāi)采后在工作面兩側(cè)形成應(yīng)力集中區(qū)，受應(yīng)力集中區(qū)影響，留設(shè)合理的區(qū)段煤柱寬度對(duì)4305工作面掘進(jìn)和回采階段控制巷道變形和破壞具有重要的意義?；跀?shù)值計(jì)算分析煤柱寬度效應(yīng)，巷道支護(hù)采用原支護(hù)設(shè)計(jì)，4305膠帶巷掘進(jìn)期間豎向應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖4.

圖4 掘進(jìn)階段巷道區(qū)域豎向應(yīng)力分布圖

由圖4可知，煤柱應(yīng)力集中程度隨著煤柱寬度逐漸減小而增大，峰值系數(shù)由1.3增大至2.11，峰值區(qū)域不斷向巷道位置靠攏，對(duì)巷道造成擠壓。其中煤柱寬度5 m，煤柱應(yīng)力峰值距巷道左幫2 m；煤柱寬度8 m，應(yīng)力峰值距巷道左幫5 m；煤柱寬度15 m，應(yīng)力峰值集中在4306采空區(qū)一側(cè)。

3.2.2回采階段不同煤柱寬度巷道應(yīng)力場(chǎng)分布

4305工作面開(kāi)采時(shí)工作面前方以及工作面兩側(cè)形成應(yīng)力集中區(qū)，受應(yīng)力集中區(qū)域的影響，巷道發(fā)生變形和破壞，分析工作面回采時(shí)超前巷道區(qū)域應(yīng)力，4305膠帶巷回采期間豎向應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖5.

圖5 回采階段巷道區(qū)域豎向應(yīng)力分布圖

由圖5可知，煤柱應(yīng)力集中程度隨著煤柱寬度逐漸減小而增大，峰值系數(shù)由1.53增大至2.49，峰值區(qū)域不斷靠近巷道位置，對(duì)巷道造成擠壓。其中煤柱寬度5 m，巷道應(yīng)力峰值距巷道左幫2 m；煤柱寬度8 m和15 m，巷道應(yīng)力峰值距巷道左幫5 m.巷道回采過(guò)程中煤柱寬度越小，受到的應(yīng)力集中影響越明顯，但是在煤柱8 m時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)及范圍和煤柱15 m相比較，變化較小，應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.8和1.5，峰值位置靠近4305工作面。

綜合考慮，4305工作面沿空掘巷選用8 m煤柱較為合理，可以有效控制巷道變形，在確保工作面安全回采的同時(shí)降低煤炭資源的浪費(fèi)，以提高煤炭資源回收率。

4 現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)及分析

4.1 掘進(jìn)期間煤柱內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律分析

巷道掘進(jìn)期間設(shè)置煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)站，利用鉆孔應(yīng)力分別監(jiān)測(cè)深度為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m位置的應(yīng)力變化。各深度處煤柱初始與穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)力見(jiàn)表2.

表2 測(cè)站煤柱應(yīng)力變化情況表

由表2可知，5 m、6 m區(qū)域?yàn)槊褐鶅?nèi)的應(yīng)力集中區(qū)域，在巷道掘進(jìn)期間煤體內(nèi)的應(yīng)力變化不大，說(shuō)明巷道掘進(jìn)對(duì)煤柱的擾動(dòng)較小。

4.2 煤柱回采支承壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

巷道回采期間布置測(cè)站距切眼10 m.該測(cè)站布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為1—6號(hào)，對(duì)應(yīng)埋深分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m.4305工作面膠帶巷鉆孔應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖6.

圖6 鉆孔應(yīng)力變化曲線圖

各測(cè)點(diǎn)位置監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，測(cè)點(diǎn)值變化幅度較小，總體呈下降趨勢(shì)，最大應(yīng)力值小于3 MPa.可認(rèn)為選用8 m煤柱并采用合理支護(hù)形式的條件下可以有效控制巷道圍巖變形保障安全回采。

5 結(jié) 論

1)利用彈塑性理論推導(dǎo)煤柱破壞塑性區(qū)寬度公式，并結(jié)合煤柱穩(wěn)定條件確定煤柱寬度至少為7.8 m.綜合各條件，確定煤柱的寬度為8 m.

2)運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析4305工作面與4306采空區(qū)留設(shè)5 m、8 m、15 m煤柱對(duì)應(yīng)工作面巷道掘進(jìn)及回采期的垂直應(yīng)力分布可得：煤柱區(qū)域應(yīng)力隨煤柱變窄而增大，回采階段留設(shè)的5 m煤柱完全破壞；留設(shè)煤柱寬度8 m，煤柱受力較為均衡，巷道變形量得到有效控制，為提高煤炭資源的回收利用，4305工作面沿空掘巷選用8 m煤柱。

3)對(duì)煤柱壓力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析監(jiān)測(cè)結(jié)果可知測(cè)點(diǎn)值變化幅度較小，總體呈下降趨勢(shì)，最大應(yīng)力值小于3 MPa.可認(rèn)為選用8 m煤柱并采用合理支護(hù)形式的條件下可以有效控制巷道圍巖變形保障安全回采。