沿空掘巷小煤柱合理寬度的數(shù)值模擬研究

馬金錄

(鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán)) 楊河煤業(yè)有限公司，河南 新密 452382)

無煤柱護(hù)巷技術(shù)由于巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)，巷道容易維護(hù)、提高成巷速度、降低煤炭損失，是目前煤礦廣泛使用的安全高效的巷道留設(shè)方法。 無煤柱護(hù)巷分2種形式，即沿空留巷、留窄小煤柱沿空掘巷，由于煤柱能夠阻隔采空區(qū)的水與有害氣體的串入，留窄小煤柱沿空掘巷[1]是煤礦尤其是水或瓦斯賦存豐富的煤礦最為常見的無煤柱護(hù)巷方法，其中煤柱寬度的留設(shè)與巷道內(nèi)設(shè)計(jì)是該方法的關(guān)鍵[2]，雖然巷道布置在采空區(qū)邊緣的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，改變了原有的應(yīng)力平衡[3]，但是對(duì)應(yīng)力場的擾動(dòng)較輕，有利于巷道的安全。煤柱的穩(wěn)定決定了巷道圍巖的穩(wěn)定性，合理的煤柱尺寸[4-6]對(duì)于巷道穩(wěn)定性、煤炭回收率以及工作面的安全接替具有重要意義[7-9]。本文以某礦專用回風(fēng)巷為背景，通過理論計(jì)算確定煤柱寬度的留設(shè)范圍，結(jié)合數(shù)值模擬的方法對(duì)留設(shè)不同寬度的煤柱時(shí)的應(yīng)力、位移分布規(guī)律及安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對(duì)比確定煤柱的最佳寬度，為工程實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

某礦相對(duì)瓦斯涌出量為11 m3/t，屬于高瓦斯礦井，1101工作面主采厚2.1～4.2 m(平均厚3.2 m)的2號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，頂板為細(xì)砂巖，底板為粉砂巖。綜合該礦煤層條件分析，確定沿空掘進(jìn)的專用回風(fēng)大巷位于西大巷軌道巷與1101工作面之間寬40 m的保護(hù)煤柱內(nèi)，沿2號(hào)煤層底板掘進(jìn)的巷道，專用回風(fēng)巷服務(wù)年限較長，巷道距采空區(qū)距離選取較為關(guān)鍵。專用回風(fēng)巷位置如圖1所示。

圖1 專用回風(fēng)巷位置

2 小煤柱寬度的理論計(jì)算

煤柱中塑性區(qū)的寬度即支承壓力峰值與煤壁的距離是小煤柱寬度確定的前提，根據(jù)其寬度進(jìn)而可以確定煤柱寬度的范圍，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算支承壓力峰值距煤壁的距離B：

B=15-0.475f0-0.16RC-0.2α+1.6m+1.7h

(1)

式中，f0為煤層堅(jiān)固性系數(shù)，取2；RC為頂板巖石單向抗壓強(qiáng)度，取40 MPa；α為煤層傾角，取10°；m為采高，取3.2 m；h為煤層深度，取1 km。

將各參數(shù)代入式(1)計(jì)算得，B=16.04 m。

采空區(qū)側(cè)煤體中在工作面開采后產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度x0為：

(2)

式中，m為煤層厚度，取3.2 m；A為側(cè)壓系數(shù)，取2.5；φ0為煤體的內(nèi)摩擦角，取30°；k為應(yīng)力集中系數(shù)，取3.5；ρ為上覆巖層平均密度，取 3.5 t/m3；h為煤層埋深，取1 000 m；c為煤體的黏聚力，取1.2 MPa；p為支架對(duì)煤幫的阻力，取 0.1 MPa。

計(jì)算得到x0=15.03 m。

綜合2種理論計(jì)算得出的煤柱寬度臨界寬度可知，15.03 m是小煤柱最大留設(shè)寬度，此時(shí)能夠使得巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，避免支承壓力峰值。

3 數(shù)值模型建立

根據(jù)掘進(jìn)巷道地質(zhì)狀況，得出模擬巖層力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 模擬巖層力學(xué)參數(shù)

利用FLAC3D模擬沿1101工作面采空區(qū)邊緣留設(shè)小煤柱沿空掘巷，研究煤柱和專用回風(fēng)巷的穩(wěn)定性。模擬煤層厚3.2 m，直接頂和基本頂厚度分別為6、9 m，直接底和基本底厚度分別為2.4、6.4 m，上覆和下伏巖層各取20 m。將專用回風(fēng)巷左側(cè)20 m和右側(cè)30 m煤體劃分為1.0 m×0.5 m(寬×高，以下同)塊體，直接頂劃分為1.0 m×0.6 m塊體，基本頂劃分為1.0 m×1.5 m塊體，直接底劃分為1.0 m×0.8 m塊體，基本底劃分為1.0 m×1.6 m塊體；將另兩側(cè)煤體劃分為2.0 m×0.5 m塊體，直接頂劃分為2.0 m×0.6 m塊體，基本頂劃分為2.0 m×1.5 m塊體，直接底劃分為2.0 m×0.8 m塊體，基本底劃分為2.0 m×1.6 m塊體。模型尺寸為188 m×67.5 m，其底部邊界沿垂直方向固定，而左右邊界沿水平方向固定，如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

4 窄煤柱合理寬度的確定

根據(jù)理論分析結(jié)果，設(shè)計(jì)窄煤柱寬度小于15.03 m的7種方案進(jìn)行選優(yōu)：方案①—方案⑦煤柱寬度分別為3、4、5、6、8、10、15 m。

4.1 煤柱寬度對(duì)應(yīng)力分布影響

當(dāng)在7種不同煤柱寬度下，巷道掘進(jìn)過程中，沿煤柱寬度方向的應(yīng)力分布如圖3所示，煤柱寬度與垂直應(yīng)力的關(guān)系如圖4所示。

圖3 沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布

圖4 煤柱寬度與垂直應(yīng)力的關(guān)系

由圖3、圖4可知，煤柱的寬度對(duì)垂直應(yīng)力大小及其分布具有顯著影響，當(dāng)煤柱寬度大于4 m時(shí)，煤柱寬度與垂直應(yīng)力呈非線性增長，隨著煤柱寬度的增加，垂直應(yīng)力增大，但增大幅度逐漸降低；當(dāng)煤柱寬度為4 m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為16.71 MPa，當(dāng)煤柱寬度為15 m時(shí)則達(dá)到 31.1MPa，煤柱的穩(wěn)定受煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力的影響，垂直應(yīng)力峰值越大越不利于煤柱的穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度比較小時(shí)如3 m，其垂直應(yīng)力峰值為19.27 MPa，較煤柱為4 m時(shí)的應(yīng)力峰值大。由圖4可以看出，垂直應(yīng)力最小值出現(xiàn)在煤柱寬度為4～5 m時(shí)，此時(shí)最有利于煤柱的穩(wěn)定。當(dāng)煤柱寬度超過10 m，垂直應(yīng)力峰值基本穩(wěn)定。

峰值點(diǎn)距煤柱幫距離與煤柱寬度呈正相關(guān)，當(dāng)煤柱寬度小于6 m時(shí)，曲線呈下凹狀，該距離與煤柱寬度呈正相關(guān)，但其增加幅度較小，當(dāng)煤柱寬度大于6 m時(shí)，峰值距煤柱幫得距離隨寬度的增加呈近似線性增加，當(dāng)煤柱寬度大于10 m時(shí)，增加的趨勢逐漸放緩，如圖5所示。

圖5 煤柱寬度與峰值距煤柱幫距離的關(guān)系

4.2 煤柱寬度對(duì)位移分布的影響

7種不同寬度煤柱情況下，巷道掘進(jìn)期間煤柱內(nèi)水平位移分布如圖6所示，煤柱寬度與其表面位移的關(guān)系如圖7所示。其中，向采空區(qū)內(nèi)側(cè)位移用負(fù)值表示，向巷道內(nèi)位移用正值表示。

圖6 掘進(jìn)時(shí)不同寬度煤柱內(nèi)的水平位移分布

由圖6、圖7可以看出，當(dāng)煤柱寬度小于8 m時(shí)，煤柱內(nèi)向巷道內(nèi)的位移與煤柱寬度呈正相關(guān)，即水平位移隨煤柱寬度的增大而增大，當(dāng)煤柱寬度大于8 m時(shí)，二者呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)煤柱寬度大于10 m時(shí)，煤柱內(nèi)向巷道內(nèi)的位移基本趨于穩(wěn)定。3 m寬度煤柱表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定變形趨勢；4～5m寬度煤柱有較小的向巷道內(nèi)位移量；6～9 m寬度煤柱的向巷道內(nèi)位移量增長迅速且呈近似線性增長，10～15 m寬度煤柱向巷道內(nèi)的位移變化雖小，但明顯大于4～5 m寬度煤柱寬時(shí)的向巷道內(nèi)位移量。

圖7 掘巷期間煤柱寬度與其表面位移的關(guān)系

綜上所述，通過對(duì)不同煤柱寬度下工作面沿空掘巷進(jìn)行模擬分析，綜合對(duì)比分析應(yīng)力及位移分布，確定4～5 m為沿空留巷窄小煤柱的最佳寬度。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)采煤工作面相關(guān)參數(shù)，基于理論計(jì)算確定沿空掘巷小煤柱寬度最大為15.03 m。

(2)當(dāng)煤柱寬度為4～5 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值最小；當(dāng)煤柱寬度大于10 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值基本趨于穩(wěn)定。煤柱向巷道內(nèi)的位移相對(duì)較小且煤柱中部位移穩(wěn)定，煤柱向巷道內(nèi)的位移峰值為煤柱寬度為8 m處，當(dāng)煤柱寬度大于10 m時(shí)，煤柱向巷道內(nèi)位移趨于穩(wěn)定。

(3)沿空掘巷留設(shè)小煤柱寬度范圍為4～5 m。

相似地質(zhì)條件下采用以上小煤柱留設(shè)方式，能取得較好的應(yīng)用效果。