淺埋群采煤層大巷煤柱合理尺寸留設(shè)數(shù)值模擬研究

石曉光

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，太原 030006）

淺埋群采煤層大巷煤柱合理尺寸留設(shè)數(shù)值模擬研究

石曉光

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，太原 030006）

摘要：基于神木張家峁煤礦淺埋煤層條件，以3-1煤層、4-2煤層、5-2煤層群采為研究背景，提出通過(guò)數(shù)值模擬手段分析煤層群采時(shí)大巷保護(hù)煤柱合理寬度，以求在保證煤層大巷的穩(wěn)定前提下，既提高資源回收率，又能實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。數(shù)值模擬得出3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層共同回采時(shí)的大巷保護(hù)煤柱寬度應(yīng)分別為170m、185m 和200m，模擬結(jié)果表明合理的淺埋群采煤層條件下大巷保護(hù)煤柱較單煤層開(kāi)采時(shí)留設(shè)尺寸略低，可進(jìn)一步提高資源回收率。

關(guān)鍵詞：煤層群采；大巷煤柱；數(shù)值模擬

陜西神南張家峁煤礦為核定生產(chǎn)能力1 000 萬(wàn)t現(xiàn)代化礦井，其3-1煤層、4-2煤層、5-2煤層同時(shí)開(kāi)采，生產(chǎn)中為保證煤層大巷的穩(wěn)定，需要留設(shè)相應(yīng)寬度大巷保護(hù)煤柱，合理大巷煤柱尺寸不僅為后期大巷煤柱的安全高效回收提供技術(shù)支撐，同時(shí)也對(duì)提高資源回收率和實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)具有重要意義［1-3］。同時(shí)，伴隨著計(jì)算機(jī)等技術(shù)的引入，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來(lái)確定保護(hù)煤柱合理留設(shè)寬度成為一種較為普遍的研究方法，在這方面張國(guó)華等［4-10］學(xué)者做了大量的基礎(chǔ)研究工作，并獲得了大量成果。而對(duì)于淺埋群采煤層條件下大巷煤柱留設(shè)研究并不多見(jiàn)，為此，針對(duì)張家峁礦淺埋煤層條件下大巷煤柱合理寬度進(jìn)行分析，不僅能更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，也可為此類(lèi)條件下大巷煤柱尺寸的確定提供參考。

1　工作面概況

榆神礦區(qū)張家峁煤礦屬于典型淺埋煤煤層條件，礦井可采煤層多、傾角小、煤層厚且煤質(zhì)優(yōu)良，其中3-1煤層和4-2煤層平均垂直距離35 m，4-2煤層和5-2煤層平均垂直距離80 m。其中，3-1煤層平均厚度3 m，埋深64.5 m；4-2煤層平均厚度3.5 m，埋深99.5 m；5-2煤層平均厚度6 m，平均埋深164 m，三煤層位置關(guān)系示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1　3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層位置關(guān)系示意圖

2　數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)地質(zhì)資料及建立模型的需要，對(duì)模擬中的巖層厚度進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，模擬計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1　計(jì)算采用的煤巖物理力學(xué)參數(shù)表

以3-l煤層、4-2煤層和5-2條件為基礎(chǔ)，嚴(yán)格按照地層資料、巷道尺寸及工作面尺寸進(jìn)行建模，三個(gè)煤層工作面開(kāi)采長(zhǎng)度均在1 500m以上，考慮到運(yùn)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，三個(gè)煤層工作面開(kāi)采長(zhǎng)度取800 m。計(jì)算模型長(zhǎng)1 440.6 m，高199.9 m，共41 118單元塊，62 712個(gè)節(jié)點(diǎn)，三煤層大巷保護(hù)煤柱合理尺寸數(shù)值計(jì)算模型，見(jiàn)圖2。

圖2　三煤層大巷保護(hù)煤柱合理尺寸數(shù)值計(jì)算模型

采用空單元實(shí)現(xiàn)工作面的分步回采。3-l煤層、4-2煤層和5-2煤層同時(shí)回采，計(jì)算過(guò)程中按照下行式順序進(jìn)行回采，先回采3-1煤層工作面，之后回采4-2煤層工作面，最后回采5-2煤層工作面；由于回采工作面的走向較長(zhǎng)，初始回采每步開(kāi)挖200m，待回采到一定范圍內(nèi)后進(jìn)行每步100 m、50 m、25 m、15 m、10 m和5 m回采。

3　大巷保護(hù)煤柱寬度的分析

因張家峁煤礦3-l煤層、4-2煤層和5-2煤層單煤層開(kāi)采時(shí)大巷保護(hù)煤柱留設(shè)為170 m、170 m和140 m。為了確定煤層群采時(shí)合理大巷煤柱尺寸，根據(jù)三個(gè)煤層的地質(zhì)條件、位置關(guān)系以及下行式開(kāi)采順序，數(shù)值計(jì)算擬定四大計(jì)算工況。不同寬度大巷保護(hù)煤柱時(shí)各煤層輔回撤通道塑性區(qū)，見(jiàn)圖3。

圖3　不同寬度大巷保護(hù)煤柱時(shí)各煤層輔回撤通道塑性區(qū)

從圖3-a可以看出，當(dāng)3-l煤層、4-2煤層和5-2煤層大巷保護(hù)煤柱寬度均為170 m，三煤層同時(shí)開(kāi)采時(shí)，3-l煤層和4-2煤層由于受到下煤層開(kāi)采的擾動(dòng)，兩煤層輔助運(yùn)輸巷道及主、輔回撤通道之間的煤柱均發(fā)生塑性變形，塑性區(qū)域一直延伸到大巷保護(hù)煤柱20 m～30 m。分析表明，該工況下3-l煤層和4-2煤層主、輔回撤通道之間的煤柱全部進(jìn)入塑性狀態(tài)，必然引起輔回撤通道將會(huì)發(fā)生較大變形，并且保護(hù)大巷較大范圍內(nèi)也發(fā)生塑性變形，這種情況不利于后期煤柱大巷的安全高效回采，甚至影響工作面回采結(jié)束后支架的回收，必須增大4-2煤層和5-2煤層的大巷保護(hù)煤柱寬度。

從圖3-b可以發(fā)現(xiàn)3-l煤層和4-2煤層兩煤層輔助運(yùn)輸巷道及主、輔回撤通道之間的煤柱均發(fā)生塑性變形，塑性區(qū)域一直延伸到大巷保護(hù)煤柱15 m左右。盡管該工況下3-l煤層和4-2煤層主、輔回撤通道塑性區(qū)域較圖3-a有所減小，但是主輔回撤通道護(hù)巷煤柱全部進(jìn)入塑性狀態(tài)，其安全穩(wěn)定可能會(huì)受到影響，不利于后期大巷保護(hù)煤柱的安全高效回收。

當(dāng)4-2煤層和5-2煤層大巷保護(hù)煤柱寬度繼續(xù)增大，圖3-c中，3-l煤層輔回撤通道及主、輔回撤通道之間的煤柱均出現(xiàn)塑性區(qū)，4-2煤層輔回撤巷道頂板和底板發(fā)生塑性變形，該煤層主、輔回撤通道之間的煤柱部分進(jìn)入塑性狀態(tài)，5-2煤層輔回撤巷道塑性區(qū)很小，三煤層輔回撤通道塑性區(qū)區(qū)域較3-a明顯減小。表明盡管該工況下3-l煤層和4-2煤層主、輔回撤通道部分處于塑性狀態(tài)，但是其周?chē)鷩鷰r仍然具有較強(qiáng)的承載能力。

圖3-d中，當(dāng)4-2煤層和5-2煤層大巷保護(hù)煤柱寬度持續(xù)增加，三煤層同時(shí)開(kāi)采時(shí)，各煤層輔回撤通道及主、輔回撤通道之間的煤柱出現(xiàn)的塑性區(qū)區(qū)域與3-c大致相同。

在三煤層輔回撤通道的兩幫、頂板和底板設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算得出三煤層同時(shí)開(kāi)采下各煤層輔回撤通道的變形。每個(gè)工況下其最大變形值，如表2所示。

表2　不同工況下輔回撤通道最大變形值對(duì)比

采用下行式開(kāi)采順序時(shí)，當(dāng)3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護(hù)煤柱寬度均為170 m，3-1煤層的輔回撤通道的穩(wěn)定性極差，巷道變形很大，尤其是4-2煤層輔回撤通道兩幫收斂值達(dá)到78.54 mm，頂板下沉量達(dá)到95.53 mm，輔回撤通道處于失穩(wěn)狀態(tài)；工況二，即3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護(hù)煤柱寬度分別為170 m、180 m和195 m，盡管輔回撤通道變形較工況一有所減小，但是變形仍舊很大，尤其4-2煤層輔回撤通道兩幫收斂值37.92 mm，頂板下沉量達(dá)到40.96mm，不利于后期支架的回撤和大巷保護(hù)煤柱的高效回撤；工況三下，即3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護(hù)煤柱寬度分別為170 m、185 m和200m，回撤通道變形較小，4-2煤層輔回撤通道變形最大，其兩幫收斂值13.63 mm，頂板下沉量達(dá)到15.05 mm，變形在接受范圍之內(nèi)，采動(dòng)影響下可以確保輔回撤通道安全穩(wěn)定，從而保證后期大巷保護(hù)煤柱的安全高效回收；工況四下，即3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護(hù)煤柱寬度分別為170m、186m和210 m，各煤層輔回撤通道及主、輔回撤通道之間的煤柱出現(xiàn)的塑性區(qū)區(qū)域與工況三大致相同，回撤通道變形較小，4-2煤層輔回撤通道變形最大，其兩幫收斂值10.24 mm，頂板下沉量達(dá)到11.49 mm，變形在接受范圍之內(nèi)。

綜合以上分析，三煤層同時(shí)開(kāi)采條件下，在保證各煤層輔回撤通道安全穩(wěn)定和提高煤層大巷保護(hù)煤柱高效回收的前提下，3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護(hù)煤柱寬度應(yīng)分別為170 m、185 m 和200m。

4　結(jié)束語(yǔ)

張家峁煤礦采用下行式開(kāi)采順序，當(dāng)3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護(hù)煤柱寬度分別為170 m、185m和200 m，各煤層輔回撤通道變形較小，巷道變形在接受范圍之內(nèi)，采動(dòng)影響下可以確保輔回撤通道安全穩(wěn)定，從而保證后期大巷保護(hù)煤柱的安全高效回收；因此，建議張家峁煤礦在進(jìn)行3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層群采時(shí)，三煤層停采線位置應(yīng)分別設(shè)置在距離各煤層輔運(yùn)大巷200 m、215 m 和230 m，不同于單煤層開(kāi)采條件下的200 m、200 m和170 m。

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（編輯：武曉平）

中圖分類(lèi)號(hào)：TD325

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5050（2016）03-053-04

DOI：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxm t.2016.06.016

收稿日期：2016-01-24

作者簡(jiǎn)介：石曉光（1988-），男，黑龍江雙鴨山人，工程碩士，助理工程師，從事連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化開(kāi)采工藝技術(shù)研究工作。

Num erical Sim ulation on Rational Size of Coal Pillar in A llays of Group M ining in Shallow Coal Seam

SHIXiaoguang
（Taiyuan Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan 030006，China）

Abstract：Based on shallow coal seam in Shenmu Zhangjiamao Mine，taking the group mining of coal seam 3-1，4-2and 5-2as the research background，numerical simulation was used to study the reasonablewidth ofprotective pillarsin order toensurealley stability，increase resource recovery rate，and realize safe and efficientproduction.The simulation obtains the reasonablewidthsof coal seam 3-1，4-2and 5-2to be 170，185，and 200 meters，respectively.The simulation results show that the reasonable pillar width of thegroupmining isslightly less than thatofsingle seammining，which could further improve the resource recovery rate.

Keywords：groupmining；coalpillar in allays；numericalsimulation