李智祥

（霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

引言

煤炭資源是我國(guó)主要的化石能源，其儲(chǔ)量十分豐富，隨著近年來(lái)我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，煤炭資源的需求量日益增加，隨著我國(guó)提出綠色能源口號(hào)，我國(guó)開(kāi)始大力發(fā)展水能、太陽(yáng)能、風(fēng)能等行業(yè)，但由于我國(guó)處于發(fā)展階段，煤炭作為工業(yè)發(fā)展的支撐無(wú)法徹底摒棄，所以目前煤炭仍然在我國(guó)能源消耗中占具主導(dǎo)地位，煤炭資源在一次能源生產(chǎn)占比76%，在能源消耗占比也超過(guò)69%。在礦井開(kāi)采過(guò)程中，為保證工作面相鄰開(kāi)采不受影響。巷道通常設(shè)置護(hù)巷煤柱。隨著開(kāi)采深度的不斷增加，護(hù)巷煤柱的留設(shè)寬度也隨之增加，這樣不僅造成了資源浪費(fèi)，同時(shí)限制著煤企的高效發(fā)展[1-2]。在此背景下，沿空掘巷留窄煤柱開(kāi)采技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，通過(guò)留設(shè)護(hù)巷煤柱從而保證巷道的穩(wěn)定性，達(dá)到穩(wěn)定高效開(kāi)采目的[3-4]。目前我國(guó)的煤柱留設(shè)寬度研究多針對(duì)特定礦山，無(wú)法廣泛得到應(yīng)用，所以本文以薛虎溝礦2-111 工作面為工程背景，利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)沿空留巷留設(shè)煤柱合理寬度進(jìn)行一定的研究，為礦井降本增效提供一定的參考。

1 模型建立

薛虎溝礦位于山西省河津市下化鄉(xiāng)陳家?guī)X村北，年產(chǎn)90 萬(wàn)t，主要開(kāi)采煤層為2#、10#煤層，該礦開(kāi)拓方式為斜井、立井聯(lián)合開(kāi)拓。2-112 工作面位于礦井二采區(qū)左翼，該工作面為南五采區(qū)的第3 個(gè)工作面，主采煤層為2#煤層，厚度約為2.08 m，煤層呈現(xiàn)單斜構(gòu)造，2-111 工作面位于二采區(qū)西翼，地面標(biāo)高+2 183 m～+2 222 m，工作面埋深147 m～262 m，北部2-112 工作面已經(jīng)回采穩(wěn)定，工作面南部未采動(dòng)，目前主采5#煤層，煤層厚度為5.53 m～6.83m，平均厚度為6.1 m，煤層呈現(xiàn)單斜構(gòu)造，煤層向南傾斜，傾角44°，產(chǎn)狀較穩(wěn)定。目前沿2-112 工作面采空區(qū)掘進(jìn)2-111 工作面回風(fēng)巷，巷道斷面形狀為梯形。由于2-111 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中留設(shè)煤柱寬度不合理，使得巷道受上工作面采空區(qū)的殘余支承壓力和巷道掘進(jìn)期間的采動(dòng)影響，使得巷道圍巖變形較大，發(fā)生多次垮冒。因此本文對(duì)不同煤柱寬度下巷道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，確定煤柱留設(shè)最佳寬度。

為了對(duì)沿空巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行更好的分析，通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行軟件，本文采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，對(duì)模型進(jìn)行建立，模型尺寸（長(zhǎng)×寬×高）設(shè)定為170 m×60 m×172 m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)將巷道周邊圍巖進(jìn)行細(xì)化分，在原理巷道周邊圍巖進(jìn)行粗劃分，以此來(lái)保證精度的同時(shí)降低模擬的計(jì)算時(shí)間，經(jīng)過(guò)劃分模型的單元總數(shù)為316800，模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為386353。對(duì)模型的進(jìn)行邊界約束設(shè)定，在模型下及前后左右邊界進(jìn)行固定約束設(shè)定，避免模型出現(xiàn)垂直及水平方向的位移，在模型的上表面根據(jù)覆巖自重計(jì)算后對(duì)模型上端施加均布荷載4 MPa，對(duì)模型進(jìn)行物理參數(shù)設(shè)定，物理參數(shù)設(shè)定參照巖層屬性進(jìn)行，模型采用摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。完成模型的建立，模型示意圖，如圖1 所示。

圖1 模型示意圖

2 模擬計(jì)算

首先對(duì)不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，選定煤柱寬度分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 六種條件進(jìn)行分析，掘進(jìn)過(guò)程中不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力分布曲線，如圖2 所示。

圖2 不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力分布曲線

從圖2 可以看出，2-111 工作面回風(fēng)巷在開(kāi)挖后，此時(shí)煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力隨著距離工作面距離的減小呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，同時(shí)隨著煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì)。當(dāng)煤柱寬度為3 m～4 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)部的垂直應(yīng)力峰值較原巖應(yīng)力小，此時(shí)的煤柱承載能力較差，而隨著煤柱寬度的增大，此時(shí)煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力峰值快速增大，當(dāng)煤柱寬度增大至5 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)部穩(wěn)定區(qū)域較小且穩(wěn)定區(qū)域距離巷道煤幫較遠(yuǎn)，此時(shí)錨桿極難錨固。當(dāng)煤柱寬度增加至6 m～8 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力的峰值明顯大于原巖應(yīng)力，且隨著煤柱寬度的增大，此時(shí)煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值呈線性增長(zhǎng)，此時(shí)的穩(wěn)定區(qū)域逐步向著煤幫靠近，對(duì)于錨桿錨固較為有利。綜上所述，可以看出在煤柱寬度小于6 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值較小，無(wú)法滿足巷道穩(wěn)定性要求。當(dāng)煤柱寬度大于6 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)穩(wěn)定區(qū)域范圍增加明顯，利于錨桿錨固。所以在考慮承載力后煤柱的合理寬度不應(yīng)低于6 m。

對(duì)不同煤柱寬度下，煤柱水平位移進(jìn)行分析，選定煤柱寬度分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 六種條件進(jìn)行分析，掘進(jìn)過(guò)程中不同煤柱寬度下煤柱水平位移曲線，如圖3 所示。

圖3 不同煤柱寬度下煤柱水平位移曲線

從圖3 可以看出，隨著隧道的開(kāi)挖，此時(shí)煤柱幫的水平位移呈現(xiàn)出如下的變化規(guī)律：護(hù)巷煤柱沿寬度方向，水平位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)煤柱寬度為3 m～5 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)部水平位移量呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)幅度較大，而當(dāng)煤柱寬度6 m～8 m時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)部水平位移量增長(zhǎng)幅度有所降低，這是由隨著煤柱寬度的增大，煤柱承載能力增強(qiáng)，煤柱抗水平變形能力增強(qiáng)，煤柱發(fā)生水平方向的位移量也就有所減小。在煤柱寬度6 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)部4 m左右，煤柱出現(xiàn)相反的水平移動(dòng)，此時(shí)煤柱內(nèi)部存在水平位移零分界線，分界線隨著煤柱寬度的增加，逐步靠近采空區(qū)一側(cè)。

對(duì)不同煤柱寬度下巷道圍巖變形量進(jìn)行分析，同樣選定煤柱寬度3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 六種條件進(jìn)行分析，不同煤柱寬度下巷道圍巖變形曲線，如圖4 所示。

圖4 不同煤柱寬度下巷道圍巖變形曲線

從圖4 可以看出，隨著煤柱寬度不斷增大，巷道頂板和巷道兩幫移近量呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢(shì)，當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，此時(shí)巷道的頂板下沉量為48.93 mm，此時(shí)的兩幫移進(jìn)量為41.22 mm，此時(shí)的巷道變形量較大，巷道穩(wěn)定性較差。當(dāng)煤柱寬度增大至4 m 時(shí)，此時(shí)巷道圍巖變形量有了較大幅度的減小，此時(shí)的巷道頂板及兩幫移近量分別為34 mm 和28 mm，隨著煤柱寬度的進(jìn)一步增大，巷道頂板及兩幫移近量仍持續(xù)減小，此時(shí)的巷道頂板和兩幫移近量分別為26 mm 和20 mm，當(dāng)煤柱寬度大于5 m 時(shí)，此時(shí)巷道頂板及兩幫的移近量達(dá)到穩(wěn)定值，下沉量保持在21.53 mm～23.10 mm，兩幫移進(jìn)量在18.51 mm～19.64 mm 范圍內(nèi)，所以根據(jù)圍巖變形量可以得出巷道護(hù)巷煤柱5 m以上時(shí)，巷道穩(wěn)定性能夠滿足要求，綜合分析不同煤柱寬度下的煤柱受力及水平變形得出，最佳煤柱寬度為6 m。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力分布曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤柱寬度小于6 m 時(shí)，無(wú)法滿足巷道穩(wěn)定性要求。當(dāng)煤柱寬度大于6 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)部穩(wěn)定區(qū)域增加，煤柱穩(wěn)定性較好。

2）護(hù)巷煤柱沿寬度方向，水平位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)煤柱寬度為3 m～5 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)部水平位移量快速增長(zhǎng)，而當(dāng)煤柱寬度6 m～8 m 時(shí)，水平位移增長(zhǎng)幅度有所降低，煤柱抗水平變形能力增強(qiáng)。

3）隨著煤柱寬度不斷增大，巷道頂板和巷道兩幫移近量呈現(xiàn)出逐步減小的趨勢(shì)，同時(shí)綜合不同煤柱寬度下的煤柱受力及水平變形得出，最佳煤柱寬度為6 m。