李文亮

(山西潞安集團(tuán) 蒲縣伊田煤業(yè)，山西 蒲縣 041204)

數(shù)值模擬法是利用大型有限元計(jì)算軟件對(duì)不同煤柱尺寸下的巷道圍巖變形、受力及機(jī)理進(jìn)行計(jì)算分析，確定合理煤柱尺寸。數(shù)值模擬軟件在模擬過程中，對(duì)不同地質(zhì)條件、不同煤柱寬度、不同支護(hù)強(qiáng)度條件下的模擬計(jì)算操作性比較靈活，模擬結(jié)果基本可以反映煤柱或巷道變形破壞的主要規(guī)律[1-3]，節(jié)省了人力物力成本，具有一定的優(yōu)越性。但計(jì)算機(jī)模擬也對(duì)部分復(fù)雜條件進(jìn)行了一定的簡化，存在參數(shù)取值的可靠性問題[4-5].

1 工程背景

伊田煤礦307工作面埋深為910 m，位于東二下山采區(qū)，東為東二采區(qū)未開發(fā)區(qū)；西為東二運(yùn)輸機(jī)下山及東二回風(fēng)下山；南為東二采區(qū)未開采區(qū)；北為306采空區(qū)。根據(jù)地質(zhì)資料得知，此區(qū)域的地質(zhì)狀況較為復(fù)雜，斷層發(fā)育。煤層厚度2.6～3.0 m，平均2.8 m，平均傾角12°. 工作面煤層賦存穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含2～3層炭質(zhì)泥巖夾矸。煤層頂?shù)装迩闆r見表1. 307工作面平面圖見圖1.

表1 煤層頂?shù)装鍘r性表

2 模型建立及分析

2.1 建立模型

根據(jù)地質(zhì)資料、沿空巷道與工作面空間位置關(guān)系以及巖層柱狀圖建立了東二下山采區(qū)307工作面模擬的地質(zhì)模型。根據(jù)需要，模型的寬度、高度分別確定為50 m和40 m，寬度方向劃分為250個(gè)網(wǎng)格，垂直方向劃分為140個(gè)網(wǎng)格，共計(jì)35 000個(gè)單元。模型中煤層的傾角為12°. 計(jì)算模型的上部邊界距地表約894 m，上邊界上覆巖層的重量由施加垂直應(yīng)力進(jìn)行模擬，由公式p=ρgh確定出垂直應(yīng)力為22.4 MPa，測(cè)壓系數(shù)取1.2模擬計(jì)算水平方向應(yīng)力。模型的底部限制垂直位移，兩側(cè)邊限制水平方向位移。各巖層力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表2.

圖1 307工作面平面布置圖

2.2 模擬方案

沿空掘巷煤柱尺寸的確定原方法是通過經(jīng)驗(yàn)類比法，從巷道變形破壞情況看，該方法具有盲目性和局限性。結(jié)合煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜多變的情況，采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法確定煤柱尺寸較為方便合理[6]. 因此，利用數(shù)值模擬軟件分別對(duì)煤柱在4 m，6 m，8 m，10 m，12 m，14 m不同寬度情況下進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以得到合理的煤柱尺寸。

表2 各巖層力學(xué)參數(shù)表

2.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬分析的錨桿預(yù)應(yīng)力大小對(duì)巷道穩(wěn)定性影響的結(jié)果取錨桿預(yù)應(yīng)力為60 kN，在煤柱寬度不同情況下巷道圍巖及煤柱塑性區(qū)變化圖見圖2.

由圖2可以看出，隨著煤柱寬度的增大，塑性區(qū)面積也隨著擴(kuò)大，但煤柱寬度為13 m時(shí)，塑性面積突然減小，煤柱寬度為14 m時(shí)塑性區(qū)面積又?jǐn)U大很多，但相比煤柱在6～12 m寬度情況下，巷道圍巖及煤柱范圍內(nèi)的塑性區(qū)面積要小。煤柱在4～6 m寬度時(shí)，可以看出巷道圍巖及煤柱范圍內(nèi)的塑性區(qū)面積最小，即巷道和煤柱周圍巖體的破壞范圍或破壞程度較小。巷道頂板的圍巖破壞厚度在1～1.5 m，巷道兩肩窩1.5 m以外巖體處于彈塑性狀態(tài)，較穩(wěn)定。巷道實(shí)體煤幫側(cè)都有一定范圍的彈塑性區(qū)域，深度約在0～3.8 m. 隨著煤柱寬度的加大，塑性區(qū)范圍由巷道逐漸向煤柱區(qū)域延伸，整個(gè)沿空側(cè)的破壞面積增大，破壞程度加深。巷道底板兩底角圍巖塑性區(qū)范圍隨著煤柱寬度的增大而擴(kuò)大，底板塑性區(qū)深度約在4.3 m. 從塑性區(qū)演化過程及以上分析可以看出，煤柱寬度在4～6 m時(shí)塑性區(qū)范圍相對(duì)較小。

不同煤柱寬度下垂直應(yīng)力分布圖見圖3. 由圖3可以看出，隨著煤柱寬度的加大，煤柱中的垂直應(yīng)力也在逐漸增大。巷道周圍煤巖體形成一個(gè)近似圓形的應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)域?yàn)橄锏理敯搴穸?～2.6 m，巷道底板應(yīng)力降低影響深度為4～5 m，實(shí)體煤幫為1.5～2 m，沿空側(cè)為2～2.5 m. 煤柱寬度為4～6 m時(shí)，煤柱內(nèi)的最大垂直應(yīng)力為10 MPa，煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力作用范圍分別約為整個(gè)煤柱的1/2和2/3，煤柱內(nèi)有一小范圍的應(yīng)力集中，大小為15 MPa. 煤柱寬度為6 m、8 m時(shí)，煤柱內(nèi)的最大垂直應(yīng)力增加到15 MPa，影響范圍隨著煤柱寬度的增大而增加，作用位置偏向采空側(cè)，上覆巖層結(jié)構(gòu)的破斷規(guī)律原因是上覆巖層直接頂在煤體內(nèi)破斷垮落，直接作用于煤柱上方，形成應(yīng)力升高區(qū)。煤柱寬度為8～12 m時(shí)，煤柱內(nèi)的最大垂直應(yīng)力從20 MPa增加到30 MPa，煤柱寬度12～14 m時(shí)煤柱內(nèi)產(chǎn)生了35 MPa垂直集中應(yīng)力，致使整個(gè)煤柱處在高應(yīng)力作用下。

圖3 煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力曲線圖

不同煤柱寬度下巷道變形量見表3，圖4. 從圖3中看出，煤柱寬度越大，煤柱中的垂直應(yīng)力越高。在4～6 m時(shí)，垂直應(yīng)力比較小，為10 MPa. 水平應(yīng)力隨煤柱寬度的增加變化較為緩慢，煤柱寬度為4～8 m時(shí)，應(yīng)力值為一定值，較穩(wěn)定，為10 MPa，但在煤柱寬度8～14 m，水平應(yīng)力隨煤柱寬度的增加，從15 MPa增加到25 MPa，煤柱在如此高的水平應(yīng)力作用下發(fā)生剪切破壞，而失去承載能力。

表3 不同煤柱寬度下巷道變形量表

圖4 巷道變形量曲線圖

由圖4可知，兩幫移近量：煤柱寬度在4～8 m時(shí)變形量較小，煤柱在8～14 m時(shí)位移量迅速增大，煤柱10～14 m時(shí)變形量較大。實(shí)體煤幫變形量隨著煤柱寬度的增加變形量呈減小趨勢(shì)，變化趨勢(shì)比較緩和，煤柱15 m時(shí)最小。煤柱側(cè)變形量隨著煤柱寬度的增加而增大，煤柱寬度為4～6 m時(shí)，煤幫變形量較小，平均只有118 mm，當(dāng)煤柱寬度為6～12 m時(shí)，煤幫變形速率較大，變形量也隨之增大，煤柱寬度為10～14 m時(shí)，煤柱變形速率較為緩和比較平穩(wěn)，但變形量很大。頂?shù)装逡平浚弘S著煤柱寬度的增大，頂板下沉量表現(xiàn)出先增大后減小再平緩的變化趨勢(shì)，煤柱寬度為4～8 m時(shí)，頂板下沉量呈增長趨勢(shì)，但煤柱在4～6 m時(shí)的下沉量平均只有447 mm，煤柱為8～14 m時(shí)，頂板下沉量呈減小趨勢(shì)，從數(shù)值上來看，8 m時(shí)下沉量最大，為540 mm，平均下沉量為489 mm. 巷道底鼓隨著煤柱寬度的增大底鼓量逐漸加大，但底鼓變形趨勢(shì)比較緩和：煤柱寬度為4～6 m時(shí)底鼓量相對(duì)較小平均為277 mm，煤柱寬度為6～14 m時(shí)，底鼓量平均為345 mm. 從受力分析和圍巖變形角度看，選取煤柱寬度為4～6 m時(shí)較為合理，既能夠保證煤柱受力的合理性，又能保持煤柱的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

在深部礦井開采過程中，煤柱寬度的大小對(duì)巷道的穩(wěn)定性起著重要的作用，煤柱寬度不同，巷道圍巖的塑性區(qū)分布范圍和影響深度有著較大的差異，巷道圍巖周圍應(yīng)力大小及分布也隨著變化，相對(duì)應(yīng)的巷道圍巖的變形量有較大的差別。煤柱寬度越大越有利于巷道的穩(wěn)定，但同時(shí)造成嚴(yán)重的煤炭資源浪費(fèi)，從模擬結(jié)果得知，煤柱寬度為4～6 m時(shí)既能夠保證煤柱受力的合理性，又能保持煤柱的穩(wěn)定性。