旺格維利開(kāi)采時(shí)刀間煤柱合理寬度的模擬研究探討

于松松

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦 山西呂梁 033602）

0 引言

隨著礦井逐年開(kāi)采，資源逐步減少，煤柱回收已提上日程，實(shí)現(xiàn)高效減沉采煤的一種新型方法是條帶式旺格維利采煤法，此方法可以有效回收邊角煤、抑制地表下沉等發(fā)揮重要作用[1-2]。旺格維利采煤法也叫連續(xù)采煤機(jī)房柱式開(kāi)采，是對(duì)綜合機(jī)械化采煤法的完善，在采掘合一、搬家倒面靈活、設(shè)備運(yùn)行方便等方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)，已被各大礦井用于回收邊角煤[3]。此采煤方法的重點(diǎn)問(wèn)題是留設(shè)煤柱寬度的確定，因?yàn)槊褐膶挾葲Q定著工作面的安全可靠性及回采率、控制覆巖穩(wěn)定性的重要措施，所以合理的煤柱寬度不斷提高礦井的回采率和綜合效益，還可確保煤柱可靠穩(wěn)定性[4-5]。

本文根據(jù)旺格維利采煤法煤柱的受力情況，引出刀間煤柱寬度核定公式，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證相結(jié)合的手段對(duì)兩種方案下的刀間煤柱受力特點(diǎn)、位移及支巷塑性區(qū)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤柱寬度優(yōu)化的目標(biāo)。

1 礦井概況

斜溝煤礦開(kāi)采的8#煤層11采區(qū)接近尾聲，剩下的18114工作面斷層發(fā)育充分、走向不穩(wěn)定，地表村莊的存在和斷層的相互交錯(cuò)切割導(dǎo)致此區(qū)域形成多個(gè)不連續(xù)、不規(guī)則的塊段，統(tǒng)一把此區(qū)域的煤炭塊段叫“邊角煤”資源。由于“邊角煤”資源具有不規(guī)則形狀、可采儲(chǔ)量較小，不適合使用長(zhǎng)壁式采煤法開(kāi)采，此時(shí)旺格維利采煤法可以發(fā)揮其采煤優(yōu)勢(shì)。

18114工作面位于11采區(qū)南翼東部，北部為11采區(qū)三條上山，南部為邊角煤實(shí)煤區(qū)，西部為18112工作面（2016年已回采完畢），東部為井田邊界。

18114 工作面停采線根據(jù)18114 皮帶機(jī)頭位置留設(shè)，距18112 運(yùn)煤通道約95 m?？紤]到18114 工作面處于井田邊界，且在18112工作面上方，為盡可能的回收井田邊角煤，工作面順槽與鄰近工作面保護(hù)煤柱為10 m（幫-幫），18114 皮帶巷與18112 材料巷留設(shè)的保護(hù)煤柱為15 m（幫-幫）。18112 工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤方法，全部垮落法管理頂板，綜合機(jī)械化回采工藝回采。

18114 工作面是斜溝煤礦的首個(gè)旺采工作面，工作面傾向長(zhǎng)度為200 m，可采走向長(zhǎng)度為250 m，煤厚約為5 m，傾角平均為3°，埋深平均為450 m，工作面煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。斜溝煤礦18114 工作面布置情況具體如圖1所示（方案1），布置好支巷之后由上端頭后退式開(kāi)采至下端頭，從采區(qū)邊界回采至采區(qū)大巷，設(shè)計(jì)支巷和采硐為矩形，支巷斷面尺寸為5 m×5 m，采硐斷面尺寸為3.5 m（高）×5 m（寬），回采期間留設(shè)寬度1.5 m 的刀間煤柱來(lái)承載覆巖壓力，支護(hù)形式為錨桿+錨索；回采完成后第一時(shí)間施工密閉封堵采空區(qū)，防止遺煤自然發(fā)火。

圖1 斜溝煤礦18114工作面布置情況

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 數(shù)值模擬

2.1 構(gòu)建數(shù)值模型

通過(guò)FLAC3D模擬軟件構(gòu)建斜溝煤礦18114旺采工作面數(shù)值模擬模型，不考慮采場(chǎng)周圍斷層，模型尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為260 m×150 m×70 m，煤層傾角為3°～8°，建立模型時(shí)不考慮煤層傾角的影響。通過(guò)位移邊界限制模型兩側(cè)面、前后側(cè)面的水平位移及底部的變化。模型采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，材料服從Mohr-Coulomb 強(qiáng)度準(zhǔn)則。根據(jù)8#煤層埋深為450 m，計(jì)算覆巖所受的垂直應(yīng)力σz=γH= 10.5 MPa，在模型的頂部施加10.5 MPa 均布載荷，巖石相關(guān)參數(shù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，具體參數(shù)見(jiàn)表2，模型開(kāi)挖時(shí)要求刀間煤柱垂直于支巷，數(shù)值模型如圖2所示（方案二）。

圖2 數(shù)值模型

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)表

采硐寬度為3.5 m，每次開(kāi)采時(shí)刀間小煤柱留設(shè)1 m 寬，而且在每4 個(gè)刀間小煤柱留設(shè)1 個(gè)刀間大煤柱，寬度與采硐一致為3.5 m。

2.2 分析數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 采場(chǎng)塑性區(qū)分布特征

當(dāng)工作面第一條支巷完成開(kāi)挖，采硐全部回采后，在與支巷平行方向做切面，獲得刀間煤柱及圍巖的塑性特征如圖3所示。由圖3得到：方案一中工作面中部區(qū)域頂板和刀間煤柱基本都發(fā)生剪切破壞，頂板比較破碎；方案二中支巷煤柱也發(fā)生剪切破壞，但主要是寬度較小的煤柱發(fā)生破碎，寬度較大煤柱相對(duì)完好同時(shí)發(fā)揮著一定支撐能力，頂板只發(fā)生小面積破碎。因此可判定，實(shí)施方案二回采時(shí)刀間煤柱相對(duì)更加完整、頂板更加可靠穩(wěn)定。

圖3 刀間煤柱塑性圖

由于工作面兩端煤柱保持相對(duì)完好，所以重點(diǎn)研究分析位于工作面中部區(qū)域的塑性區(qū)特點(diǎn)，工作面中部煤柱塑性區(qū)如圖4 所示。從圖4（a）發(fā)現(xiàn)，實(shí)施方案一模擬時(shí)，按照每間隔1.5 m寬度留設(shè)煤柱時(shí)，刀間煤柱基本都被剪切破壞，彈性核區(qū)不到2 m，頂板受到拉伸破斷影響而垮落；從圖4（b）發(fā)現(xiàn)，實(shí)施方案二模擬時(shí)，按照每間隔3.5 m寬度留設(shè)大煤柱時(shí)，將近一半范圍的刀間煤柱受到彈性應(yīng)力的作用，證明煤柱外部發(fā)生了小范圍破碎，而內(nèi)部仍然擁有較強(qiáng)的支撐作用，頂板雖然發(fā)生了剪切破壞，但基本保持較完整；模擬這兩種方案發(fā)現(xiàn)護(hù)巷煤柱都受到彈性應(yīng)力作用，但護(hù)巷煤柱寬度為1.5 m時(shí)承載效果顯著，頂板只是形成小區(qū)域破壞（位移低于0.5 m），證明護(hù)巷煤柱寬度為1.5 m 時(shí)能夠負(fù)擔(dān)覆巖較大載荷，確保平巷穩(wěn)定可靠。

圖4 工作面中部煤柱塑性圖

2.2.2 支巷頂板應(yīng)力和位移場(chǎng)分布

（1）位移分析。在方案一、二的頂板中部安設(shè)測(cè)線，伴隨著工作面回采結(jié)束后即可得到頂板位移曲線，具體如圖5所示。

圖5 支巷頂板位移量變化

從圖5發(fā)現(xiàn)：方案一中頂板位移曲線相對(duì)平緩，方案二中頂板位移曲線發(fā)生波動(dòng)式變化，兩種方案的位移曲線都是先升高再下降的趨勢(shì)，由于工作面回采初期采場(chǎng)空間有限，所以頂板下沉量都呈現(xiàn)較低（二者都小于30 mm）。參閱相關(guān)資料得到采場(chǎng)開(kāi)挖結(jié)束之后覆巖將發(fā)生O-X破斷，因此可把覆巖當(dāng)做外表近乎為梁、實(shí)際為拱的砌體梁結(jié)構(gòu)（在工作面中部屬于煤柱承載的簡(jiǎn)支巖梁，工作面上下兩端屬于邊界煤體（柱）承載的固支巖梁）。工作面中部頂板屬于簡(jiǎn)支形式，頂板位移量大于工作面上下兩端，先是基本頂發(fā)生破裂垮落，接著轉(zhuǎn)移至工作面兩端。

（2）應(yīng)力分析。煤柱寬度不同時(shí)頂板垂直應(yīng)力情況如圖6所示，由圖6得到，實(shí)施方案一時(shí)全部的刀間煤柱寬度相同，所以伴隨采場(chǎng)面積的增多，頂板負(fù)擔(dān)的壓力逐步升高，由于初采階段不會(huì)形成大面積頂板破裂垮落，所以頂板應(yīng)力不會(huì)發(fā)生突然升高。實(shí)施方案二時(shí)，煤柱較窄，僅為1 m寬度，支撐能力很弱，只會(huì)發(fā)揮臨時(shí)支護(hù)作用，當(dāng)來(lái)壓時(shí)煤柱很快達(dá)到承載峰值，進(jìn)入破壞階段，不在具有承載能力，所受應(yīng)力下降，覆巖應(yīng)力開(kāi)始轉(zhuǎn)移到鄰近支巷頂板，即圖6中應(yīng)力峰值處；寬度3.5 m的煤柱承載作用更強(qiáng)，所以鄰近支巷頂板的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到煤柱，頂板承受的垂直應(yīng)力減小，即圖6中應(yīng)力波谷處，導(dǎo)致支巷頂板應(yīng)力呈現(xiàn)出波狀起伏特點(diǎn)。方案一和方案二的支巷頂板負(fù)擔(dān)壓力都是先升高后下降的變化規(guī)律，但實(shí)施方案二時(shí)支巷頂板負(fù)擔(dān)垂直應(yīng)力比方案一小。

圖6 支巷頂板垂直應(yīng)力變化

考慮到實(shí)施方案二時(shí)頂板的位移量、垂直應(yīng)力發(fā)生波狀起伏的特點(diǎn)，計(jì)劃配置2 架XZ7000/24.5/46 型履帶行走液壓支架，用來(lái)支撐支巷與采硐之間的三角區(qū)域。應(yīng)用連采機(jī)期間，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件合理調(diào)整刀間煤柱寬度，以有效確保采場(chǎng)安全，實(shí)現(xiàn)最大程度的回收邊角煤。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

通過(guò)在18114工作面前方中部的巷道中設(shè)安頂板位移觀測(cè)站，依據(jù)“十字布點(diǎn)法”監(jiān)測(cè)支巷頂板位移量，以檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的正確性。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮到人力和時(shí)間成本，共設(shè)置9組觀測(cè)站，分別在中部巷道的中間及前部、后部間距10 m 設(shè)安1 組觀測(cè)站?；夭傻? 條支巷時(shí)，根據(jù)方案一布置煤柱，回采第2條支巷時(shí)，根據(jù)方案二布置煤柱，回采結(jié)束后，頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)搜集觀測(cè)站數(shù)據(jù)，圖7為實(shí)測(cè)得到頂板位移變化情況。從圖7發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，中部巷道中部區(qū)域的頂板位移量明天超過(guò)兩端，同時(shí)方案二條件下的頂板位移量更?。恢胁肯锏阑夭沙跫?jí)階段的頂板位移量比回采中部之后的頂板位移量大，說(shuō)明伴隨回采面積增多，頂板位移量發(fā)生進(jìn)一步增大，但整體頂板位移量基本保持在可控范圍內(nèi)，鄰近采煤工作面回采期間根據(jù)方案二留設(shè)煤柱，巷道頂板未發(fā)生大面積來(lái)壓顯現(xiàn)甚至冒頂，充分表明方案二有利于頂板管理，另外也驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。

圖7 實(shí)測(cè)圍巖位移情況

4 結(jié)論

（1）利用頂板載荷法研究分析斜溝煤礦旺采工作面的受力情況，提出簡(jiǎn)化算法，把幾個(gè)等間距的刀間小煤柱合并成一個(gè)新的護(hù)巷大煤柱進(jìn)行研究，同時(shí)依據(jù)傳統(tǒng)的平巷護(hù)巷煤柱寬度研究核算，獲得260 m 長(zhǎng)度的工作面所留設(shè)的刀間煤柱總寬度為60 m。

（2）為確保安全生產(chǎn)，提出煤柱留設(shè)方案。研究結(jié)果證明：在回采時(shí)實(shí)施方案一煤柱可靠穩(wěn)定性較弱，工作面中部區(qū)域頂板和刀間煤柱基本都被剪切破斷；實(shí)施方案二刀間大煤柱可靠穩(wěn)定性較強(qiáng)，具備支撐能力，刀間小煤柱基本都被剪切破斷。

（3）實(shí)施方案二時(shí)，采出采硐之后，煤層頂板產(chǎn)生空頂，原巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移至附近區(qū)域的煤柱上，在煤柱附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，煤柱能充分支撐覆巖壓力，巷道及覆巖的應(yīng)力處于下降趨勢(shì)。因此實(shí)施方案二時(shí)，保證刀間煤柱總寬度一致的條件下可確保采場(chǎng)可靠穩(wěn)定性，保護(hù)煤柱具有較好的完整性，但采場(chǎng)空間隨著工作面不斷回采而增大之后，采場(chǎng)可靠穩(wěn)定性有待下一步繼續(xù)研究。