王卿

【摘 要】 淺埋煤層合理煤柱寬度的留設對于提高煤炭的回采率以及巷道的穩(wěn)定性都有重要意義。本文以西部某淺埋礦井為研究背景，利用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬分析并通過對煤柱垂直應力、水平應力進行分析，進而開展了淺埋煤層采掘工作面的最佳煤柱寬度留設研究。研究表明：隨著煤柱寬度增加，垂直應力呈先增大后減小再增大的趨勢且煤柱內(nèi)部的垂直應力呈現(xiàn)雙峰曲線，煤柱內(nèi)部水平應力隨著煤柱深度的增加而增大且煤柱內(nèi)部水平應力曲線呈單峰對稱曲線;最佳煤柱寬度為14-16m。研究成果可為類似地質條件下煤礦安全開采提供依據(jù)。

【關鍵詞】 極淺埋煤層;煤柱寬度留設;數(shù)值模擬;應力

【中圖分類號】 TD323 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）03-0009-02

為了更好地達到提高煤炭產(chǎn)量、實現(xiàn)對煤礦綠色清潔能源的開采等主要經(jīng)濟目的，增大煤礦的回采率，是較為可行的方法之一。而針對淺埋煤層而言使用一次性采全高技術，可以達到高產(chǎn)高效目的。一次性采全高開采可以很好地提高煤炭開采率，達到高產(chǎn)高效，節(jié)約開采成本，在實際的開采生產(chǎn)中被大多數(shù)礦井采用。在開采過程中，很多煤礦在初步設計開采時不合理，工作面與工作面之間留設了不合理的區(qū)段煤柱，造成了大量的煤炭資源浪費。此外，煤柱留設寬度的不合理會對其他工作面開采造成影響，使工作面開采過程中應力增加，增加了煤礦發(fā)生動力災害的可能性。為增大煤礦的回采率，在原有的開采技術上，選用適當?shù)拿褐鶎挾瓤梢栽龃竺禾慨a(chǎn)量進而提高回采率、減小煤礦動力災害的發(fā)生概率。

本文主要以西北某一淺埋煤層為背景，利用FALC3D數(shù)值模擬軟件研究工作面開采過程中煤柱合理寬度留設，為類似條件下開采提供一定的科學依據(jù)。

1工程背景

本文主要以西北某一淺埋煤層為背景，礦井埋深約150m，煤層開采厚度平均6m，頂板粉砂巖厚度為2m、泥巖厚度為8m，底板以粗砂巖為主，厚度為4m。綜合柱狀圖如圖1所示。煤巖力學參數(shù)表如表1所示。

2數(shù)值模型建立

確定15306工作面為研究對象，該采區(qū)工作面煤柱寬度為18.2m，回風順槽、輔運順槽：寬×高=5.7m×4.3m，膠運順槽寬×高=6.2m×4.3m，回采面走向長度為280m，建模過程中不考慮巷道，因此模型尺寸為：長×寬×高（x×y×z）=406.8m×100m×86.5m。最終得出數(shù)值模型如圖2，模型的節(jié)點數(shù)為583881、單元數(shù)為560000、上覆巖層厚度為80m、側壓力系數(shù)為1.2。

為了模擬該煤礦煤層綜采工作面區(qū)段煤柱的合理寬度，在運輸巷道、回風巷道和斷面尺寸數(shù)值確定的情況下，可分為六個工作點，見下表2。

3煤柱寬度留設分析

在采動影響下煤柱水平及垂直應力發(fā)生了變化，具體變化可見圖3和圖4。圖3為采掘工作面從0m至50m回采時，監(jiān)測點為25m處的不同寬度煤柱下的垂直應力分布圖。

由圖3可知，不同寬度煤柱下的垂直應力曲線均為雙峰曲線，應力大小隨著煤柱增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大再減小的趨勢。煤柱寬度分別為10m、12m、14m、16m、18m、20m時，其對應的垂直應力峰值為4.32Mpa、4.25Mpa、4.15Mpa、4.13Mpa、4.12Mpa、4.11Mpa。由其峰值變化可以看出當煤柱寬度大于14m時，煤柱的垂直應力峰值變化幅度減小。當煤柱寬度為10m時，煤柱的垂直應力曲線分布圖主要呈現(xiàn)對稱狀態(tài)，當煤柱寬度超過10m時，其垂直應力曲線圖呈非對稱性，由此可知采空區(qū)附近的應力比輔運順槽的應力值稍大一些。當煤柱寬度為10m時其原巖應力大約為2Mpa左右，10m寬度下的垂直應力是其2倍多，具有承載能力，煤柱寬度為14-16m時存在一定的彈性區(qū)，承載能力較為良好。煤柱寬度為16-20m時存在較好的穩(wěn)定性，但由于埋深較淺，若選用16-20m煤柱寬度時降低了煤炭的采出率，損失嚴重，故選用14-16m為最佳煤柱寬度范圍。

由圖4可知，兩側的水平應力值較小，中間位置水平應力值較大，水平應力值呈現(xiàn)出中間大兩邊低，且水平應力曲線呈對稱分布，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是煤柱兩側受到了約束。當煤柱寬度為10m、12m、14m、16m、18m、20m時其對應的水平應力峰值為1.15MPa、1.25MPa、1.30MPa、1.40MPa、1.50Mpa、1.55MPa，煤柱寬度在10-18m時水平應力變化較為明顯，18-20m時水平應力變化幅度下降。對比不同煤柱寬度下的水平與垂直應力可知：煤柱寬度在10-14m時水平應力較小垂直應力較大，煤柱寬度在14-16m時其水平與垂直應力位于中間大小，煤柱寬度在16-20m時水平應力較大垂直應力較小，綜上最佳煤柱寬度為14-16m。

4結論

不同煤柱下的采動應力是一個隨著回采長度的變化從而進行動態(tài)變化的一個過程。當煤柱寬度不斷增大時，垂直應力呈先增大后減小再增大的趨勢且煤柱內(nèi)部的垂直應力呈現(xiàn)雙峰曲線，煤柱內(nèi)部水平應力隨著煤柱深度的增加而增大且煤柱內(nèi)部水平應力曲線呈單峰對稱曲線。

對煤柱不同寬度下的應力分析得出最佳煤柱寬度為14-16m，此范圍的煤柱具有較好的承重和承壓能力且煤柱的穩(wěn)定性較好。

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