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        沿空掘巷小煤柱合理寬度的數(shù)值模擬研究

        2021-11-29 05:24:08馬金錄
        能源與環(huán)保 2021年11期
        關(guān)鍵詞:空掘巷塊體煤體

        馬金錄

        (鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán)) 楊河煤業(yè)有限公司,河南 新密 452382)

        無煤柱護(hù)巷技術(shù)由于巷道布置在應(yīng)力降低區(qū),巷道容易維護(hù)、提高成巷速度、降低煤炭損失,是目前煤礦廣泛使用的安全高效的巷道留設(shè)方法。 無煤柱護(hù)巷分2種形式,即沿空留巷、留窄小煤柱沿空掘巷,由于煤柱能夠阻隔采空區(qū)的水與有害氣體的串入,留窄小煤柱沿空掘巷[1]是煤礦尤其是水或瓦斯賦存豐富的煤礦最為常見的無煤柱護(hù)巷方法,其中煤柱寬度的留設(shè)與巷道內(nèi)設(shè)計(jì)是該方法的關(guān)鍵[2],雖然巷道布置在采空區(qū)邊緣的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi),改變了原有的應(yīng)力平衡[3],但是對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)較輕,有利于巷道的安全。煤柱的穩(wěn)定決定了巷道圍巖的穩(wěn)定性,合理的煤柱尺寸[4-6]對(duì)于巷道穩(wěn)定性、煤炭回收率以及工作面的安全接替具有重要意義[7-9]。本文以某礦專用回風(fēng)巷為背景,通過理論計(jì)算確定煤柱寬度的留設(shè)范圍,結(jié)合數(shù)值模擬的方法對(duì)留設(shè)不同寬度的煤柱時(shí)的應(yīng)力、位移分布規(guī)律及安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析,對(duì)比確定煤柱的最佳寬度,為工程實(shí)踐提供參考。

        1 工程概況

        某礦相對(duì)瓦斯涌出量為11 m3/t,屬于高瓦斯礦井,1101工作面主采厚2.1~4.2 m(平均厚3.2 m)的2號(hào)煤層,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,頂板為細(xì)砂巖,底板為粉砂巖。綜合該礦煤層條件分析,確定沿空掘進(jìn)的專用回風(fēng)大巷位于西大巷軌道巷與1101工作面之間寬40 m的保護(hù)煤柱內(nèi),沿2號(hào)煤層底板掘進(jìn)的巷道,專用回風(fēng)巷服務(wù)年限較長(zhǎng),巷道距采空區(qū)距離選取較為關(guān)鍵。專用回風(fēng)巷位置如圖1所示。

        圖1 專用回風(fēng)巷位置

        2 小煤柱寬度的理論計(jì)算

        煤柱中塑性區(qū)的寬度即支承壓力峰值與煤壁的距離是小煤柱寬度確定的前提,根據(jù)其寬度進(jìn)而可以確定煤柱寬度的范圍,利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算支承壓力峰值距煤壁的距離B:

        B=15-0.475f0-0.16RC-0.2α+1.6m+1.7h

        (1)

        式中,f0為煤層堅(jiān)固性系數(shù),取2;RC為頂板巖石單向抗壓強(qiáng)度,取40 MPa;α為煤層傾角,取10°;m為采高,取3.2 m;h為煤層深度,取1 km。

        將各參數(shù)代入式(1)計(jì)算得,B=16.04 m。

        采空區(qū)側(cè)煤體中在工作面開采后產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度x0為:

        (2)

        式中,m為煤層厚度,取3.2 m;A為側(cè)壓系數(shù),取2.5;φ0為煤體的內(nèi)摩擦角,取30°;k為應(yīng)力集中系數(shù),取3.5;ρ為上覆巖層平均密度,取 3.5 t/m3;h為煤層埋深,取1 000 m;c為煤體的黏聚力,取1.2 MPa;p為支架對(duì)煤幫的阻力,取 0.1 MPa。

        計(jì)算得到x0=15.03 m。

        綜合2種理論計(jì)算得出的煤柱寬度臨界寬度可知,15.03 m是小煤柱最大留設(shè)寬度,此時(shí)能夠使得巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi),避免支承壓力峰值。

        3 數(shù)值模型建立

        根據(jù)掘進(jìn)巷道地質(zhì)狀況,得出模擬巖層力學(xué)參數(shù),見表1。

        表1 模擬巖層力學(xué)參數(shù)

        利用FLAC3D模擬沿1101工作面采空區(qū)邊緣留設(shè)小煤柱沿空掘巷,研究煤柱和專用回風(fēng)巷的穩(wěn)定性。模擬煤層厚3.2 m,直接頂和基本頂厚度分別為6、9 m,直接底和基本底厚度分別為2.4、6.4 m,上覆和下伏巖層各取20 m。將專用回風(fēng)巷左側(cè)20 m和右側(cè)30 m煤體劃分為1.0 m×0.5 m(寬×高,以下同)塊體,直接頂劃分為1.0 m×0.6 m塊體,基本頂劃分為1.0 m×1.5 m塊體,直接底劃分為1.0 m×0.8 m塊體,基本底劃分為1.0 m×1.6 m塊體;將另兩側(cè)煤體劃分為2.0 m×0.5 m塊體,直接頂劃分為2.0 m×0.6 m塊體,基本頂劃分為2.0 m×1.5 m塊體,直接底劃分為2.0 m×0.8 m塊體,基本底劃分為2.0 m×1.6 m塊體。模型尺寸為188 m×67.5 m,其底部邊界沿垂直方向固定,而左右邊界沿水平方向固定,如圖2所示。

        圖2 數(shù)值模擬模型

        4 窄煤柱合理寬度的確定

        根據(jù)理論分析結(jié)果,設(shè)計(jì)窄煤柱寬度小于15.03 m的7種方案進(jìn)行選優(yōu):方案①—方案⑦煤柱寬度分別為3、4、5、6、8、10、15 m。

        4.1 煤柱寬度對(duì)應(yīng)力分布影響

        當(dāng)在7種不同煤柱寬度下,巷道掘進(jìn)過程中,沿煤柱寬度方向的應(yīng)力分布如圖3所示,煤柱寬度與垂直應(yīng)力的關(guān)系如圖4所示。

        圖3 沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布

        圖4 煤柱寬度與垂直應(yīng)力的關(guān)系

        由圖3、圖4可知,煤柱的寬度對(duì)垂直應(yīng)力大小及其分布具有顯著影響,當(dāng)煤柱寬度大于4 m時(shí),煤柱寬度與垂直應(yīng)力呈非線性增長(zhǎng),隨著煤柱寬度的增加,垂直應(yīng)力增大,但增大幅度逐漸降低;當(dāng)煤柱寬度為4 m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為16.71 MPa,當(dāng)煤柱寬度為15 m時(shí)則達(dá)到 31.1MPa,煤柱的穩(wěn)定受煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力的影響,垂直應(yīng)力峰值越大越不利于煤柱的穩(wěn)定;當(dāng)煤柱寬度比較小時(shí)如3 m,其垂直應(yīng)力峰值為19.27 MPa,較煤柱為4 m時(shí)的應(yīng)力峰值大。由圖4可以看出,垂直應(yīng)力最小值出現(xiàn)在煤柱寬度為4~5 m時(shí),此時(shí)最有利于煤柱的穩(wěn)定。當(dāng)煤柱寬度超過10 m,垂直應(yīng)力峰值基本穩(wěn)定。

        峰值點(diǎn)距煤柱幫距離與煤柱寬度呈正相關(guān),當(dāng)煤柱寬度小于6 m時(shí),曲線呈下凹狀,該距離與煤柱寬度呈正相關(guān),但其增加幅度較小,當(dāng)煤柱寬度大于6 m時(shí),峰值距煤柱幫得距離隨寬度的增加呈近似線性增加,當(dāng)煤柱寬度大于10 m時(shí),增加的趨勢(shì)逐漸放緩,如圖5所示。

        圖5 煤柱寬度與峰值距煤柱幫距離的關(guān)系

        4.2 煤柱寬度對(duì)位移分布的影響

        7種不同寬度煤柱情況下,巷道掘進(jìn)期間煤柱內(nèi)水平位移分布如圖6所示,煤柱寬度與其表面位移的關(guān)系如圖7所示。其中,向采空區(qū)內(nèi)側(cè)位移用負(fù)值表示,向巷道內(nèi)位移用正值表示。

        圖6 掘進(jìn)時(shí)不同寬度煤柱內(nèi)的水平位移分布

        由圖6、圖7可以看出,當(dāng)煤柱寬度小于8 m時(shí),煤柱內(nèi)向巷道內(nèi)的位移與煤柱寬度呈正相關(guān),即水平位移隨煤柱寬度的增大而增大,當(dāng)煤柱寬度大于8 m時(shí),二者呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)煤柱寬度大于10 m時(shí),煤柱內(nèi)向巷道內(nèi)的位移基本趨于穩(wěn)定。3 m寬度煤柱表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定變形趨勢(shì);4~5m寬度煤柱有較小的向巷道內(nèi)位移量;6~9 m寬度煤柱的向巷道內(nèi)位移量增長(zhǎng)迅速且呈近似線性增長(zhǎng),10~15 m寬度煤柱向巷道內(nèi)的位移變化雖小,但明顯大于4~5 m寬度煤柱寬時(shí)的向巷道內(nèi)位移量。

        圖7 掘巷期間煤柱寬度與其表面位移的關(guān)系

        綜上所述,通過對(duì)不同煤柱寬度下工作面沿空掘巷進(jìn)行模擬分析,綜合對(duì)比分析應(yīng)力及位移分布,確定4~5 m為沿空留巷窄小煤柱的最佳寬度。

        5 結(jié)論

        (1)根據(jù)采煤工作面相關(guān)參數(shù),基于理論計(jì)算確定沿空掘巷小煤柱寬度最大為15.03 m。

        (2)當(dāng)煤柱寬度為4~5 m時(shí),煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值最??;當(dāng)煤柱寬度大于10 m時(shí),垂直應(yīng)力峰值基本趨于穩(wěn)定。煤柱向巷道內(nèi)的位移相對(duì)較小且煤柱中部位移穩(wěn)定,煤柱向巷道內(nèi)的位移峰值為煤柱寬度為8 m處,當(dāng)煤柱寬度大于10 m時(shí),煤柱向巷道內(nèi)位移趨于穩(wěn)定。

        (3)沿空掘巷留設(shè)小煤柱寬度范圍為4~5 m。

        相似地質(zhì)條件下采用以上小煤柱留設(shè)方式,能取得較好的應(yīng)用效果。

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