徐留軍

(山西新村煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 046000)

目前我國(guó)內(nèi)蒙地區(qū)煤炭資源豐富,煤層埋藏地質(zhì)條件好,易采出。合理的布置巷道,設(shè)計(jì)低成本、高效益的煤柱留設(shè)尺寸,降低煤礦的生產(chǎn)成本,有助于提高經(jīng)濟(jì)效益。

蔣力帥[1]通過(guò)改進(jìn)的FLAC3D本構(gòu)模型,基于工程巖體的裂化演變,模擬了大采高沿空巷道力學(xué)特征演化,分析優(yōu)化了大采高沿空巷道煤柱尺寸。謝福星[2]基于小煤柱自身穩(wěn)定性與寬度的關(guān)系,從降低應(yīng)力的角度,確定了大采高小煤柱的安全合理寬度。徐乃忠[3]圍繞大采高工作面沿空掘巷破壞變形嚴(yán)重,根據(jù)煤柱的彈塑性理論,分析得出了大采高小煤柱塑性區(qū)及應(yīng)力的分布規(guī)律。馮吉成[4]采用彈塑性理論計(jì)算、FLAC數(shù)值分析及煤柱應(yīng)力實(shí)測(cè)的方法,綜合研究了大采高工作面小煤柱留設(shè)的尺寸,解決了深井大采高工作面因留設(shè)大煤柱導(dǎo)致的煤炭資源丟失難題。余忠林[5]建立了大采高工作面小煤柱的力學(xué)模型,運(yùn)用FLAC2D4.0程序,得到了大采高工作面小煤柱內(nèi)的塑性區(qū)、圍巖變形分布規(guī)律。

內(nèi)蒙某礦3號(hào)煤是厚煤層,為提高3號(hào)煤的采出率，提高經(jīng)濟(jì)效益,現(xiàn)通過(guò)地質(zhì)資料建立采場(chǎng)數(shù)值模型,研究分析3號(hào)煤留設(shè)小煤柱的合理尺寸。

1　工程地質(zhì)條件

3號(hào)煤工作面位于井田西部,向西為井田的邊界,地面無(wú)建筑物和其它設(shè)施。3號(hào)煤層厚度約為6.6 m,埋深200 m,煤層傾角平均為2°～5°,為近水平煤層,煤層夾矸約為0.1 m～0.2 m,煤層構(gòu)造較為簡(jiǎn)單,煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、中砂巖等,厚度約為30 m,煤層底板主要為泥巖,厚度約為12 m。大采高沿空掘巷留設(shè)小煤柱垂直剖面示意圖見(jiàn)圖1。

圖1　大采高沿空掘巷留設(shè)小煤柱垂直剖面示意圖Fig.1　Vertical section of large-mining-height along gob-side entry driving

2　數(shù)值模擬分析

2.1　數(shù)值模擬模型建立

為提高大采高工作面的煤炭采出率,需要研究沿空掘巷小煤柱的寬度尺寸,小煤柱是將煤柱留設(shè)在采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力峰值以內(nèi),從而使沿空巷道也在峰值區(qū)以內(nèi)。相比較大的區(qū)段煤柱,小煤柱在避開(kāi)應(yīng)力高峰的同時(shí)可以提高煤炭采出率。

以該礦工程地質(zhì)資料為背景,運(yùn)用FLAC3D軟件,建立數(shù)值模擬模型,模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=100 m×1 m×48 m,模型底面邊界限制X、Y、Z方向的位移,模型上部邊界采用應(yīng)力邊界,施加垂直應(yīng)力,考慮上覆巖層自重,因此加到模型上部邊界的應(yīng)力為4.25 MPa(取上覆巖層容重為γ=25 000 N/m3),模型左側(cè)留設(shè)20 m邊界煤柱以消除模擬中的邊界效應(yīng),工作面寬度范圍是20 m～70 m,沿空巷道尺寸:長(zhǎng)×寬=4 m×3 m。建立的數(shù)值模擬模型見(jiàn)圖2。模型建立完成后,將模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值,具體賦值參數(shù)如表1所示。

圖2　數(shù)值模擬模型圖Fig.2　Model of numerical simulation

表1　各巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1　Rock physical and mechanical parameters

2.2　數(shù)值模擬結(jié)果分析

為研究留設(shè)不同尺寸的沿空小煤柱,需對(duì)小煤柱垂直應(yīng)力分布及其影響范圍和巷道的圍巖變形進(jìn)行分析探討。本模擬小煤柱寬度分別為3 m、4 m、5 m、6 m和7 m,先進(jìn)行模型初始地應(yīng)力平衡計(jì)算,平衡計(jì)算完成后,將模型進(jìn)行大采高工作面開(kāi)挖,開(kāi)挖完成后,進(jìn)行小煤柱各尺寸計(jì)算分析,圖3為不同煤柱寬度時(shí)的圍巖應(yīng)力分布云圖。

3-a　3 m小煤柱寬度

3-b　4 m小煤柱寬度

3-c　5 m小煤柱寬度

3-d　6 m小煤柱寬度

3-e　7 m小煤柱寬度圖3　不同煤柱尺寸下圍巖垂直應(yīng)力變化云圖Fig.3　Nephogram of vertical stress of surrounding rock under different coal pillar width

由圖3-a可以看出,當(dāng)小煤柱寬度留為3 m時(shí),煤柱中心區(qū)域藍(lán)色較深,最大應(yīng)力值為23 MPa,說(shuō)明煤柱處于應(yīng)力集中升高狀態(tài),此時(shí)的煤柱不穩(wěn)定易發(fā)生破壞;由圖3-b可以看出,當(dāng)小煤柱寬度留為4 m時(shí),最大應(yīng)力值為22 MPa,說(shuō)明此時(shí)煤柱仍處應(yīng)力升高的態(tài)勢(shì),煤柱不穩(wěn)定;由圖3-c可以看出,當(dāng)遺留煤柱寬度留為5 m時(shí),最大應(yīng)力值為20 MPa,此時(shí)的煤柱應(yīng)力集中趨勢(shì)減弱甚至開(kāi)始下降；由圖3-d可以看出,當(dāng)小煤柱寬度為6 m時(shí),最大應(yīng)力值為18 MPa,此時(shí)的煤柱應(yīng)力值大幅降低,沿空巷道處在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)；由圖3-e可以看出，當(dāng)小煤柱寬度留為7 m時(shí), 最大應(yīng)力值為17 MPa,應(yīng)力集中雖有降低但是降低的幅度不明顯。總體上的趨勢(shì)是:隨著煤柱寬度的增加,煤柱應(yīng)力開(kāi)始降低,說(shuō)明煤柱內(nèi)部產(chǎn)生彈性核區(qū),煤柱具有一定的承載能力,5 m的小煤柱寬度比較合理,留設(shè)7 m的時(shí)候,煤柱彈性核區(qū)范圍開(kāi)始增加,只要有彈性核區(qū),煤柱就有承載能力,留設(shè)7 m浪費(fèi)煤柱資源而不合理。

取煤層中部垂直應(yīng)力監(jiān)測(cè)線(x=70 m～90 m,y=0.5 m,z=14 m),每隔1 m取1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),得到不同遺留煤柱寬度的垂直應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線圖,見(jiàn)圖4。

圖4　不同遺留煤柱寬度的垂直應(yīng)力曲線圖Fig.4　Plasiticity of surrounding rock in driving roadways under different coal pillar width

圖4中應(yīng)力為0 MPa的區(qū)域?yàn)橄锏赖姆秶?從曲線的走勢(shì)上看,當(dāng)煤柱寬度為3 m、4 m時(shí),巷道處于煤柱支承應(yīng)力升高區(qū)域內(nèi);煤柱寬度為5 m、6 m、7 m時(shí),巷道處于在煤柱應(yīng)力降低區(qū)域。但是留5 m時(shí)的煤柱應(yīng)力峰值依然較高,峰值為23 MPa,留7 m時(shí)煤柱的應(yīng)力峰值降低的趨勢(shì)不是很大,所以留設(shè)7 m煤柱浪費(fèi)煤柱資源,不符合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效益的要求。所以,留設(shè)6 m小煤柱不管是從煤柱承載穩(wěn)定性還是煤炭的采出率上來(lái)說(shuō)都是最為經(jīng)濟(jì)合理。

3　現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性應(yīng)用

2017年1月20日,在該礦303工作面材料巷進(jìn)行了沿空掘巷煤柱留設(shè)工業(yè)性試驗(yàn),效果如下:

滯后工作面5m范圍內(nèi),工作面推進(jìn)度未達(dá)到下位老頂來(lái)壓步距,巷道變形不劇烈;滯后工作面5m～18m范圍內(nèi),工作面推進(jìn)度達(dá)到下位老頂來(lái)壓步距,老頂劇烈變形影響巷道圍巖變形;滯后工作面18m～60m范圍內(nèi),下位老頂和上位巖層分次垮落致使巷道變形繼續(xù)增加,但變形速度減緩;滯后工作面距離大于60m時(shí),頂板穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成,圍巖變形量趨于穩(wěn)定。巷道頂?shù)装逶跍蠊ぷ髅婕s14m處變形最為劇烈,頂板下沉速度為30mm/d,底鼓速度為23mm/d，巷道實(shí)體煤幫在滯后工作面約14m處變形最為劇烈,變形速度

為45 mm/d,頂板下沉量、底鼓量、實(shí)體煤幫變形量累計(jì)分別為196.5 mm、147 mm、251 mm。

可見(jiàn),回采期間巷道的表面位移一般在300 mm以內(nèi),巷道圍巖變形得到了較好的控制,總體效果較好。

4　結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果分析可知:當(dāng)留設(shè)3 m、4 m煤柱時(shí),沿空巷道處在采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力集中升高的區(qū)域內(nèi),此時(shí)的煤柱極不穩(wěn)定已發(fā)生破壞;留設(shè)5 m、6 m、7 m煤柱時(shí),沿空巷道處在采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi),但是5 m煤柱的應(yīng)力峰值依然較大,為21 MPa,煤柱不穩(wěn)定,不易采取。留設(shè)7 m煤柱時(shí),煤柱應(yīng)力已經(jīng)處于穩(wěn)定,導(dǎo)致留設(shè)寬度較大而浪費(fèi)煤柱資源。所以,該礦留設(shè)6 m的小煤柱時(shí)是最經(jīng)濟(jì)合理的。