綜放沿空掘巷窄煤柱合理寬度數(shù)值模擬研究

李德中　王賽騫

摘要：綜放開采技術(shù)已成為我國實現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)的途徑之一，為提高采出率，綜放沿空掘巷技術(shù)得到推廣。窄煤柱合理寬度的確定是保證沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵一環(huán)，本文采用FLAC3D軟件對不同寬度窄煤柱條件進行模擬計算，根據(jù)窄煤柱內(nèi)應(yīng)力、位移分布特征綜合分析，研究結(jié)果表明：煤柱過窄，巷道圍巖整體性差、承載能力較小，煤柱過寬，巷道變形增加，結(jié)合所給地質(zhì)情況，最終確定綜放沿空掘巷窄煤柱的合理寬度為5-6 m。

關(guān)鍵詞：綜放沿空掘巷；煤柱寬度；數(shù)值模擬

0引言

我國煤炭資源分布廣泛，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，采礦規(guī)模不斷擴大。經(jīng)過近20年的不斷探索、試驗和研究，綜放開采技術(shù)已成為我國煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效的途徑之一[2-3]。綜放開采回采巷道的布置方式可分為大煤柱護巷、沿空掘巷、沿空留巷，大煤柱護巷將回采巷道布置在側(cè)向支承壓力影響范圍外，巷道易于維護，但對于厚煤層來說，煤炭資源浪費嚴(yán)重；沿空留巷所需工藝較復(fù)雜，巷道變形嚴(yán)重，不宜維護；沿空掘巷將巷道布置在側(cè)向支承壓力降低區(qū)，留窄煤柱護巷，大大減少了資源浪費且有利于巷道維護。綜放沿空掘巷窄煤柱寬度的確定不僅影響煤炭采出率，而且關(guān)系到巷道圍巖穩(wěn)定性，因此本文采用數(shù)值模擬針對綜放沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定進行研究。

1工程地質(zhì)條件

3104軌道巷位于三一采區(qū)回風(fēng)巷北，巷道長1482m。3104工作面所采煤層為山西組中下部3#煤層，有陸相湖泊沉積而成，煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度6.02 m，無夾矸，煤層傾角一般小于10°，工作面寬度為180m，平均埋深400 m，工作面采放比為1：1。直接頂為灰黑色泥巖，厚度為2 m左右?；卷敒?.6 m的細砂巖，致密堅硬。直接底為黑色的砂泥巖，厚度為4 m。

2窄煤柱合理寬度的數(shù)值模擬模型

本文采用FLAC3D有限差分軟件，對窄煤柱內(nèi)支承壓力及變形進行模擬，為確定合理的窄煤柱寬度提供一定依據(jù)。采用Mohr-Coulomb模型，模型尺寸為160 m×80 m×46 m，共110400個單元，118017個節(jié)點。模型底部固定，側(cè)面限制水平移動，上表面施加垂直載荷模擬上覆巖層重量，側(cè)壓系數(shù)為1.2，模擬方案如表1所示。

2.1窄煤柱掘巷期間煤柱應(yīng)力分布

取煤柱高度一半的中部層位研究煤柱內(nèi)應(yīng)力場分布情況，掘進期間沿煤柱寬度方向的垂直應(yīng)力分布如圖1所示。

由圖1可見，掘進階段綜放工作面沿空掘巷窄煤柱應(yīng)力分布具有如下特征：

（1）不同煤柱寬度窄煤柱垂直應(yīng)力變化規(guī)律。窄煤柱垂直應(yīng)力峰值隨著窄煤柱寬度的增大不斷增大，其變化分為兩個階段：

1）窄煤柱寬度為3 m~7 m，煤柱由3 m增大到7 m時，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值基本呈線性增大趨勢，斜率較大，3 m時垂直應(yīng)力峰值為5.00 Mpa，4 m時垂直應(yīng)力峰值為7.45 Mpa，5 m時垂直應(yīng)力峰值為9.22 Mpa，6 m時垂直應(yīng)力峰值為12.2 Mpa，7 m時垂直應(yīng)力峰值為14.2 Mpa。

2）窄煤柱寬度為 8 m~10 m，煤柱由8 m增大到10 m時，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值基本穩(wěn)定，增加不大，8 m時垂直應(yīng)力峰值為14.5 Mpa，9 m時垂直應(yīng)力峰值為14.8 Mpa，10 m時垂直應(yīng)力峰值為15.1 Mpa。

（2）煤柱寬度對煤柱淺部應(yīng)力的影響。煤柱3 m～5 m時，淺部應(yīng)力較小，煤柱超過6 m后，淺部應(yīng)力隨著煤柱寬度增大而增大。煤柱寬度為5 m~6 m時，窄煤柱應(yīng)力集中系數(shù)較小，最大僅為1.25，窄煤柱相對比較穩(wěn)定，為比較合理的窄煤柱寬度。

2.2窄煤柱變形機理

取煤柱高度一半的中部層位為研究對象，煤柱內(nèi)水平位移場分布特征如下圖所示。

由圖2～圖3可見，掘進期間煤柱水平位移具有以下特征：

（1）向采空區(qū)側(cè)水平位移。煤柱寬度由3 m增大到5 m時，煤柱向采空區(qū)側(cè)的位移隨煤柱寬度增大而增大，增長速度逐漸減小，窄煤柱寬度超過5 m后，煤柱向采空區(qū)側(cè)位移逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，留設(shè)5m煤柱時，向采空區(qū)側(cè)位移最大，達30 mm。

（2）向巷道方向水平位移。窄煤柱寬度3 m~4 m時，煤柱向巷道方向位移增加較大，大于4 m后，窄煤柱向巷道方向位移隨煤柱寬度增加而呈線性增長，增長速度較慢。

3窄煤柱寬度的合理確定

3.1確定窄煤柱合理寬度的原則

窄煤柱合理寬度的確定是保證沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵一環(huán)，應(yīng)滿足以下原則：

3.1.1巷道處于應(yīng)力降低區(qū)

采空區(qū)側(cè)向支承壓力分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力升高區(qū)，將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)時，巷道頂板下沉量、窄煤柱幫水平移近量以及實體煤幫移近量均有很大程度的降低，利于巷道維護，因此，在應(yīng)力降低區(qū)布置巷道較為合理。模擬結(jié)果表明距3102工作面的7 m～21 m范圍為側(cè)向支承壓力的峰值影響區(qū)。所以，窄煤柱的寬度應(yīng)當(dāng)小于7 m或者大于21 m，為提高采出率，煤柱寬度應(yīng)小于7 m。

3.1.2窄煤柱內(nèi)部有穩(wěn)定的區(qū)域

由于上區(qū)段工作面回采影響和本工作面回采巷道掘進影響，在煤柱兩側(cè)存在不同程度的破碎區(qū)，該區(qū)域內(nèi)圍巖承載能力小、穩(wěn)定性差。巷道采用錨桿支護時，為保證支護效果，應(yīng)將錨桿錨固在穩(wěn)定煤體中。模擬結(jié)果表明：留設(shè)3 m窄煤柱時，巷道變形嚴(yán)重且煤柱破碎，垂直應(yīng)力峰值大于4 m～5 m煤柱時的垂直應(yīng)力峰值。

3.2合理的窄煤柱寬度

綜上所述，確定合理的窄煤柱寬度為5 m~6 m，窄煤柱寬度為5 m~6 m時，圍巖位移及應(yīng)力均較小，煤柱中部存在位移較小且穩(wěn)定部分。

4結(jié)論

（1）通過研究窄煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布特征，可知窄煤柱垂直應(yīng)力峰值隨煤柱寬度的增加先增大，當(dāng)煤柱寬度達到8m后應(yīng)力峰值基本保持穩(wěn)定，且垂直應(yīng)力峰值位置大約在距采空區(qū)側(cè)1 m~2 m處。為保證煤柱的完整與穩(wěn)定，考慮煤柱應(yīng)力分布，煤柱寬度為5~6 m較為合理。

（2）通過研究窄煤柱內(nèi)水平位移特征，可知煤柱向采空區(qū)側(cè)位移隨煤柱寬度增大而增大，當(dāng)煤柱寬度達到5 m后減小最終趨于穩(wěn)定；煤柱向巷道方向位移隨煤柱寬度增加而增大，煤柱寬度大于4 m后增長速度緩慢；煤柱寬度為5~6 m時，煤柱中部位移穩(wěn)定且較小。

參考文獻：

[1]柏建彪.沿空掘巷圍巖控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[2]來存良,席京德等.厚煤層高產(chǎn)高效開采實用技術(shù)[M].煤炭工業(yè)出版社,2001(10).

[3]司利軍等.淺談推廣沿空掘巷的必要性和可行性[J].煤炭工程,2003(10).

[4]劉增輝,高謙,華心祝等.沿空掘巷圍巖控制的時效特征[J].采礦與安全工程學(xué)報,2009,26(04):465-469.

[5]常聚才,謝廣祥,楊科.綜放沿空巷道小煤柱合理寬度確定[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2006,28(02):226-230.

[6]奚家米,毛久海,楊更社等.回采巷道合理煤柱寬度確定方法研究與應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報,2008,25(04):400-403.

[7]劉金海,姜福興,王乃國等.深井特厚煤層綜放工作面區(qū)段煤柱合理寬度研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(05):921-927.endprint