復(fù)雜地質(zhì)條件下綜放區(qū)段煤柱優(yōu)化

付 曉

（晉能集團(tuán)錦瑞煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033400）

1 工程概況

山西錦瑞煤業(yè)為兼并重組礦井，位于河?xùn)|煤田中段，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬(wàn)t/a。礦井主采5、8、9號(hào)煤層。5 號(hào)煤層地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，賦存穩(wěn)定，煤層傾角平均7°，厚度平均6.4 m。礦井現(xiàn)開(kāi)采5 號(hào)煤層一采區(qū)，工作面傾向長(zhǎng)壁布置，機(jī)風(fēng)巷斷面為矩形，采用“錨網(wǎng)噴+錨索”支護(hù)，綜放開(kāi)采。如圖1 所示。

2 區(qū)段煤柱應(yīng)力分析及變形破壞機(jī)理

區(qū)段煤柱，另一側(cè)為巷道，巷道開(kāi)挖后周邊煤巖產(chǎn)生塑性變形。上一區(qū)段已回采工作面所形成的應(yīng)力和巷道開(kāi)挖形成的應(yīng)力共同決定了區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性有三種表現(xiàn)形式：一是煤柱沒(méi)有出現(xiàn)任何形式的破壞，此種情況煤柱所受的壓力小于其承載能力，但此種情況下留設(shè)的區(qū)段煤柱寬度較大，通常為25～30 m，資源浪費(fèi)嚴(yán)重；二是煤柱出現(xiàn)一定的變形但在可控范圍內(nèi)，此種情況煤柱所受的壓力達(dá)到承載能力極限，但之后所受的壓力迅速減小，煤柱依靠自身的殘余強(qiáng)度來(lái)保持穩(wěn)定；三是煤柱自身的殘余強(qiáng)度滿(mǎn)足不了承受的壓力，煤柱遭到破壞。

圖1 5 號(hào)煤一采區(qū)工作面布置圖

3 區(qū)段煤柱確定

3.1 煤柱尺寸數(shù)值模擬

根據(jù)錦瑞煤業(yè)一采區(qū)回采巷道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，利用FLAC3D軟件，建立傾斜煤層數(shù)值模擬，分析在掘進(jìn)及回采期間不同煤柱尺寸下垂直應(yīng)力分布及圍巖變形特征，確定合理煤柱尺寸。本次進(jìn)行分析研究的煤柱寬度分別為5 m、8 m、10 m、15 m、20 m、25 m。

3.1.1 垂直應(yīng)力分布特征

（1）機(jī)巷掘進(jìn)階段垂直應(yīng)力分布

5102 機(jī)巷掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)模擬結(jié)果，不同寬度煤柱掘進(jìn)階段垂直應(yīng)力曲線如圖2 所示。

圖2 不同寬度煤柱掘進(jìn)階段垂直應(yīng)力曲線

由圖2 可知，在掘進(jìn)階段不同寬度煤柱上的垂直應(yīng)力峰值分別為16.2 MPa、20.2 MPa、21.7 MPa、21.9 MPa、20.6 MPa、20.0 MPa，最大值21.9 MPa 所對(duì)應(yīng)的煤柱寬度為15 m，以15 m 煤柱寬度為界，其垂直應(yīng)力峰值先增大后減小。由圖可知，煤柱寬度＞15 m 時(shí)，煤柱所受壓力出現(xiàn)雙峰狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)煤柱內(nèi)部出現(xiàn)能夠保持較高的承載能力，保證圍巖不破壞，而且煤柱寬度越大雙峰距離越大，煤柱越穩(wěn)定。

（2）5102 工作面回采時(shí)煤柱垂直應(yīng)力分布

受上區(qū)段已回采5101 工作面及5102 工作面回采的影響，其不同寬度煤柱對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力曲線如圖3所示。本次模擬取值取自超前5102 工作面10 m 處的應(yīng)力值。

由圖3 可知，不同寬度煤柱在回采階段，煤柱上的垂直應(yīng)力峰值分別為17.9 MPa、21.4 MPa、22.6 MPa、22.9 MPa、21.8 MPa、21.0 MPa，最 大值22.9 MPa 所對(duì)應(yīng)的煤柱寬度為15 m，結(jié)果和掘進(jìn)階段一樣。以15 m 煤柱寬度為界，其垂直應(yīng)力峰值先增大后減小。煤柱寬度＞15 m 時(shí)，煤柱所受壓力出現(xiàn)雙峰狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)煤柱內(nèi)部出現(xiàn)能夠保持較高的承載能力，保證圍巖不破壞，并且煤柱寬度越大雙峰距離越大，煤柱越穩(wěn)定。

由圖3 分析可以得出，不同寬度煤柱在掘進(jìn)和回采期間，以15 m 煤柱寬度為界，垂直應(yīng)力峰值先增大后減小。但在煤柱寬度小于5 m 時(shí)，塑性區(qū)貫穿整個(gè)煤柱，巷道難以維護(hù)；煤柱寬度大于8 m時(shí)，并未出現(xiàn)應(yīng)力驟降現(xiàn)象，說(shuō)明只要煤柱寬度大于8 m，煤柱就能夠保持較高的承載力保證其穩(wěn)定。

圖3 不同寬度煤柱回采階段垂直應(yīng)力曲線

3.1.2 巷道圍巖變形特征

（1）5102 機(jī)巷掘進(jìn)時(shí)巷道圍巖位移

對(duì)模型進(jìn)行切片處理，截取模型巷道附近的垂直位移云圖和水平位移云圖，通過(guò)不同煤柱寬度下的位移云圖判斷巷道圍巖變形的整體趨勢(shì)及范圍。5102 機(jī)巷掘進(jìn)時(shí)，提取巷道垂直位移值和水平位移值，巷道最大變形量如表1 所示。

表1 掘進(jìn)期間巷道最大變形量

由表1 可知，受已回采的5101 工作面影響及沿空巷道掘進(jìn)的影響，當(dāng)煤柱寬度為5 m 時(shí)，塑性區(qū)貫穿整個(gè)煤柱，巷道難以維護(hù)；隨著煤柱寬度的增加，受影響范圍越來(lái)越小，巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟恐饾u減?。辉诿褐鶎挾却笥?5 m 時(shí)急劇變小，并最終趨于穩(wěn)定。同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比，掘進(jìn)期間巷道管理重點(diǎn)在煤柱幫及頂板。

（2）5102 工作面回采時(shí)巷道圍巖位移

5102 工作面回采時(shí)，取工作面超前10 m 處的位移情況進(jìn)行分析。表2 為回采期間留設(shè)不同寬度煤柱情況下巷道表面最大變形量。

由表2 可知，回采時(shí)的變化趨勢(shì)和掘巷階段相同，但受采動(dòng)影響，其變形量較掘巷階段大，煤柱幫及頂板仍是管理重點(diǎn)。當(dāng)煤柱寬度為5 m 時(shí)，塑性區(qū)貫穿整個(gè)煤柱，巷道難以維護(hù)，隨著煤柱寬度的增加，變形量逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。結(jié)合巷道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變情況，煤柱寬度＞8 m 時(shí)，能夠滿(mǎn)足安全生產(chǎn)需要，通過(guò)數(shù)值模擬煤柱寬度取8 m。

表2 回采期間巷道表面變形量

3.2 基于極限平衡理論的窄煤柱尺寸優(yōu)化

煤層應(yīng)力極限平衡區(qū)范圍內(nèi)的煤層界面應(yīng)力為：

式中：

σy-正應(yīng)力，MPa；

τxy-剪切應(yīng)力，MPa；

m-煤層平均采厚，m；

β-測(cè)壓系數(shù)，β=μ/（1-μ），μ為泊松比。

合理煤柱寬度B 的計(jì)算公式為：

式中：

X1-煤柱的塑性區(qū)寬度，即為極限平衡區(qū)寬度X0，m；

X2-幫錨桿有效長(zhǎng)度，m；

X3-煤柱寬度富余量，其值為（0.3～0.5）×（X1+X2），m。

5102 工作面煤厚平均為6.4 m，泊松比為0.28，側(cè)壓系數(shù)為0.54，巖層平均容重為25 kN/m3，巷道埋深400 m，錨桿的支護(hù)阻力為0.25 MPa，經(jīng)計(jì)算X1=4.1 m。

幫錨桿有效長(zhǎng)度X2=1.8 m。

X3=（0.3～0.5）×（4.1+1.8）=1.8～3 m。

由以上計(jì)算可以得出， 合理煤柱寬度

B=7.7～8.9 m。

3.3 區(qū)段煤柱的確定

根據(jù)建立的復(fù)雜地質(zhì)條件下綜放區(qū)段煤柱在掘進(jìn)和回采期間的數(shù)值模型，模擬出了不同煤柱寬度下的巷道應(yīng)力應(yīng)變情況，得出煤柱寬度為8 m，基于極限平衡理論計(jì)算得出的合理寬度為7.7～8.9 m，在考慮經(jīng)濟(jì)效益的情況下，確定煤柱寬度為8 m。

4 結(jié)束語(yǔ)

錦瑞煤業(yè)以5 號(hào)煤區(qū)段煤柱為試驗(yàn)對(duì)象，在理論研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬，模擬出不同煤柱寬度下的巷道在掘進(jìn)及回采期間的應(yīng)力應(yīng)變情況，得出煤層寬度為8 m，結(jié)合理論計(jì)算的合理寬度7.7～8.9 m，最終確定煤柱寬度為8 m。錦瑞煤業(yè)每年有近2000 m 的沿空巷道，相比按經(jīng)驗(yàn)留設(shè)的25 m 煤柱，優(yōu)化后每年可多回采近30 萬(wàn)t 煤，在滿(mǎn)足安全回采下取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，沿空煤柱尺寸的研究模式可以在同類(lèi)條件下推廣應(yīng)用。