同忻煤礦綜放工作面護巷煤柱尺寸研究

閆 捷

(同煤國電同忻煤礦有限公司)

工程類比法、理論計算法、數(shù)值模擬法及現(xiàn)場測量法是當(dāng)前確定煤柱寬度的4種主要方法[1-4]，其適用范圍不同。工程類比法測量比較簡單，即按照物體類型進行類比測量，但是遇到比較復(fù)雜的工程地質(zhì)時難以準(zhǔn)確測量，往往缺乏高科學(xué)性及針對性。理論計算法是根據(jù)巖柱穩(wěn)定極限平衡理論計算公式進行確定的方法，但是在實際操作中，相關(guān)參數(shù)值很難獲得，不能完全反映客觀實際情況。數(shù)值模擬法是利用有限元計算軟件對不同寬度煤柱巷道的變形和應(yīng)力進行計算和分析，與上述2種方法相比較，該方法具有較好的靈活性和便捷性，但對復(fù)雜條件下的計算情況進行仿真計算時，不能完全滿足實際條件，所以也存在一定的局限性?，F(xiàn)場測量法是通過安裝在煤柱中的測探器測量支承壓力分布及圍巖變形，比較分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，可靠性高，但很難實現(xiàn)對不同煤柱寬度的應(yīng)力現(xiàn)場監(jiān)測，無法進一步觀察巷道變形情況。以上方法都有優(yōu)點和缺點,在實際煤柱寬度設(shè)計中，相關(guān)工作者要采用多種方法相結(jié)合，以求得最優(yōu)解。同時，結(jié)合科學(xué)計算理論和數(shù)值計算的靈活性，最終確定煤柱的合理寬度。

1 工程概況

同忻煤礦是千萬噸級礦井。目前正在開采8106工作面，采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤開采方法，煤層平均厚15.3 m，采高為3.9 m，放煤厚度為11.4 m，傾斜長193 m，可采走向長1 406 m。8106工作面緊鄰8105和8107工作面。由于同忻礦受口泉斷裂和雙系兩硬開采條件的影響，礦區(qū)內(nèi)應(yīng)力條件與構(gòu)造運動較復(fù)雜，巖體中應(yīng)力的集中與能量的積聚使地層結(jié)構(gòu)對工程擾動的反應(yīng)相對靈敏，礦壓顯現(xiàn)強烈，圍巖易失穩(wěn)[5]。開采過程中，區(qū)段護巷煤柱穩(wěn)定性較差，煤壁片幫明顯，導(dǎo)致回采巷道圍巖變形嚴(yán)重，巷道底鼓較大，給安全高效生產(chǎn)帶來了影響。

2 煤柱寬度理論計算

當(dāng)前綜放工作面多是采取沿煤層底板布置，隨著開挖工作的進行，巷道由于煤形狀的改變使得應(yīng)力重新分布，煤體兩側(cè)受到破壞，并且該破壞力由外向內(nèi)不斷轉(zhuǎn)移，直至彈性區(qū)邊界，根據(jù)上述4種計算方法，這里采取極限平衡理論進行計算，煤層巷道塑性區(qū)寬度(應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度)R為

(1)

由于工作面回采在采空區(qū)邊界也會引起圍巖破碎，形成圍巖塑性區(qū)，其寬度R0為

(2)

煤柱的極限強度σ1為

(3)

式中，h為巷道高度,m；λ為側(cè)壓系數(shù)；k為巷道周邊的應(yīng)力集中系數(shù)；K為回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層的平均容重,kN/m3；H為開采深度,m；Px為巷道支架對煤幫的支護強度,MPa；M為煤層開采厚度,m；φ0和C0為煤柱的內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力，(°),MPa。

通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采取煤柱保護巷道時，其采空區(qū)與回采巷道會在煤柱的兩側(cè)形成相應(yīng)的變形區(qū)，這里將這2個變形區(qū)的寬度記為R0、R，在數(shù)據(jù)分析過程中可以發(fā)現(xiàn)，如果煤柱寬度B小于上述2個變形區(qū)寬度之和時，煤柱將失穩(wěn)，最終崩塌，造成安全事故。同時應(yīng)保持2倍巷道高度的煤柱中央彈性核。所以，使用煤柱來保證巷道穩(wěn)定狀態(tài)的寬度為

(4)

結(jié)合同忻礦的具體情況，h=3.6 m，λ=1.17，k=1.5～2，K=2～3，λH=13.8 MPa，Px=0 MPa，M=15.3 m，C0=2.05 MPa,φ0=55°,帶入式(4)得出同忻礦煤柱穩(wěn)定狀態(tài)的寬度B≥(40.1～42.9) m。理論計算確定同忻礦煤柱寬度應(yīng)不小于45 m。

3 煤柱寬度數(shù)值模擬計算

根據(jù)相關(guān)工作面的實際情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同寬度煤柱進行分析，以25 m寬度為基礎(chǔ)研究值，以5 m遞增量進行分析，最大為60 m，最終確定維持巷道穩(wěn)定的最佳煤柱寬度。

3.1 模型建立及參數(shù)確定

數(shù)值計算模型剖面見圖1，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1，模型的尺寸及單元節(jié)點見表2。

圖1 數(shù)值計算模型剖面

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 區(qū)段煤柱數(shù)值模擬參數(shù)

模型邊界條件如下：

(1)在模型橫向方向施加X軸約束力，則邊界橫向位移為零。

(2)在模型縱向方向施加Y軸約束力，則邊界縱向位移為零。

(3)在模型底部方向施加三向約束力，則邊界三向位移為零。

(4)模型頂部為自由邊界。

結(jié)合該礦地應(yīng)力測量結(jié)果及模擬工作面布置(圖2)，經(jīng)過計算可以確定在模型X軸方向施加21.2～16.5 MPa梯度應(yīng)力，Y軸方向施加6.5～5.1 MPa梯度應(yīng)力，上部施加11.3 MPa等效載荷，Z軸方向設(shè)定自重載荷。

圖2 地應(yīng)力方位與工作面對應(yīng)關(guān)系

3.2 煤柱穩(wěn)定性模擬結(jié)果及分析

3.2.1 塑性區(qū)分布特征

8106工作面不同煤柱寬度下煤柱彈塑性區(qū)模擬結(jié)果見圖3。可以看出，當(dāng)煤柱寬度為25 m時，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可得采空區(qū)側(cè)的塑性寬度較大，彈性區(qū)寬度較小。繼續(xù)增加煤柱寬度，當(dāng)煤柱寬度為30 m，采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)范圍進一步減少。當(dāng)煤柱寬度由30 m增加到60 m時，煤柱內(nèi)部的塑性區(qū)范圍已經(jīng)不會發(fā)生太大的改變，相反的是彈性區(qū)逐漸增加，這說明隨著煤柱寬度的增加，超過一定臨界值以后，煤柱會更加穩(wěn)定，從而有利于巷道維護，但是增加了煤炭資源的損失。

圖3 不同煤柱寬度圍巖彈塑性區(qū)分布

3.2.2 應(yīng)力分布特征

8106工作面內(nèi)不同寬度煤柱及巷道周邊垂直應(yīng)力見圖4?？梢钥闯觯捎谑苌蠀^(qū)段工作面采動的影響，沿空巷道兩側(cè)均形成應(yīng)力集中帶，并且頂、底板呈現(xiàn)為拱狀卸壓帶。隨著煤柱寬度的加大，巷道頂?shù)装逅苤С袎毫χ饾u減小，而煤柱中雖然存在一定的應(yīng)力集中，但是應(yīng)力集中程度逐漸降低。當(dāng)煤柱寬度大于50 m時，煤柱中應(yīng)力分布區(qū)域劃分逐漸模糊，最大最小主應(yīng)力差逐漸減小，煤柱在整個寬度方向上受力趨于均衡。

煤柱巷道側(cè)不同距離應(yīng)力分布曲線見圖5?？梢钥闯觯?dāng)煤柱寬度較小時，煤柱中應(yīng)力曲線以單峰曲線為主，煤柱寬度為25和30 m時，距離煤柱巷道側(cè)邊界5 m處的應(yīng)力峰值分別為49和44.5 MPa。隨著煤柱寬度繼續(xù)增加，應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰曲線，巷道側(cè)煤柱應(yīng)力峰值逐漸減小，煤柱寬度為45 m，煤柱應(yīng)力峰值為37.4 MPa，大于煤柱的極限抗壓強度，圍巖變形嚴(yán)重。當(dāng)煤柱寬度達到50 m時，應(yīng)力峰值為34.3 MPa，煤柱接近于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)煤柱寬度達到60 m時，應(yīng)力峰值為30.3 MPa。由式(3)計算得煤柱的極限抗壓強度約35 MPa，當(dāng)煤柱垂直應(yīng)力高于煤柱的極限抗壓強度時，煤柱將發(fā)生失穩(wěn)，在不采取措施的情況下，煤柱不穩(wěn)定，易引起臨空巷道圍巖變形與失穩(wěn)。

3.2.3 回采巷道表面位移分析

不同煤柱寬度巷道表面位移變化情況見圖6。可以看出，不同尺寸煤柱巷道的表面均產(chǎn)生位移，致使巷道變形嚴(yán)重。隨著煤柱尺寸的增加，巷道表面位移呈近似線性降低。當(dāng)煤柱寬度為50 m時，巷道頂板下沉量、回采側(cè)幫移近量和煤柱側(cè)幫移近量分別為401，162和267 mm，巷道基本處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

通過對同忻煤礦8106綜放工作面不同寬度情況下煤柱模型的彈塑性區(qū)、垂直應(yīng)力和表面位移分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤柱寬度較小時，煤柱應(yīng)力曲線為明顯的單峰曲線，應(yīng)力峰值較高，巷道變形嚴(yán)重；隨著煤柱寬度增加，煤柱應(yīng)力曲線由單峰轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰，應(yīng)力峰值逐漸降低，巷道變形量逐漸減小，當(dāng)煤柱寬度達到50 m時，煤柱巷道側(cè)應(yīng)力峰值為34.3 MPa，低于煤柱的極限強度35 MPa，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合煤礦受區(qū)域構(gòu)造的影響，圍巖中積聚較大應(yīng)力和能量，造成圍巖易失穩(wěn)。理論計算與數(shù)值模擬表明，同忻煤礦綜放工作面區(qū)段護巷煤柱合理寬度不小于50 m。針對同忻煤礦實際地質(zhì)條件，可以對煤柱進行卸壓以達到優(yōu)化煤柱寬度的目的。加強回采巷道本身的支護強度，提高其自身的維穩(wěn)能力；改善煤柱的受力狀態(tài)，緩解采空區(qū)側(cè)覆巖運動對其穩(wěn)定性造成的影響，如爆破切頂卸壓，在頂抽巷中布置鉆孔，利用爆破削弱采空區(qū)與待采區(qū)的頂板聯(lián)系，緩解煤柱受力。

圖4 不同煤柱寬度圍巖垂直應(yīng)力分布

圖5 煤柱巷道側(cè)不同距離應(yīng)力分布曲線

圖6 不同煤柱寬度巷道表面位移

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