杜家溝礦大采高工作面區(qū)段煤柱合理留設(shè)研究

劉小崗

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 043300）

引言

煤炭資源作為我國主要的能源消耗，其每年在我國消耗的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)7 成以上的比重，隨著清潔能源技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的清潔能源代替了化石能源的消耗，但考慮到我國的清潔能源仍處于起步階段，產(chǎn)出的能源對于我國巨大的能源消耗量可謂杯水車薪，所以在未來很長的一段時(shí)間，煤炭資源的消耗仍是我國國民生產(chǎn)生活的重要依靠。隨著開采年限的不斷增加，煤礦開采深度不斷加大，此時(shí)在進(jìn)行煤層開采過程中，由于采高較大，使得巷道圍巖變形情況嚴(yán)重[1-2]，造成巷道的支護(hù)煤柱尺寸增加，浪費(fèi)資源，為了降低礦井煤柱尺寸[3-4]，本文以河津杜家溝煤業(yè)為工程背景，通過理論分析結(jié)合數(shù)值模擬軟件對不同煤柱寬度下巷道的受力變形情況進(jìn)行研究，旨在找到合理的煤柱留設(shè)寬度，提升煤炭資源開采效率。

1 礦井概況及數(shù)值模擬研究

杜家溝礦位于山西河津市清澗鎮(zhèn)西北3 km，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60 萬t/a，2-105 工作面主要開采2#、10#煤層，開采深度標(biāo)高為+840 m～+600 m，井田呈不規(guī)則多邊形，南北長4.6 km，東西寬4.5 km，面積9.89 km2。

在雙巷掘進(jìn)過程中，由于回風(fēng)順槽收到兩次采動的影響，使得礦井側(cè)向礦壓現(xiàn)象顯現(xiàn)嚴(yán)重，回采巷道變形較為嚴(yán)重，巷道底板出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，。而區(qū)段留設(shè)煤柱也出現(xiàn)一定的變形，所以需要對合理煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行研究。本文選定flac3d 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬研究，首先進(jìn)行模型的建立，首先給定模型的長寬高分別為785 mm×220 mm×206 mm，巷道的矩形斷面尺寸為5 m×4 m，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到本文對計(jì)算精度的要求及計(jì)算時(shí)間的要求后，對巷道附近進(jìn)行細(xì)化分，對距離巷道較遠(yuǎn)的部位進(jìn)行粗劃分，完成網(wǎng)格劃分后對模型的力學(xué)屬性進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料對其進(jìn)行設(shè)置，完成力學(xué)參數(shù)設(shè)置后對模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，限制模型四邊的X、Y 方向位移，同時(shí)在模型的頂端施加覆巖自重16 MPa 的均布載荷，完成模型設(shè)定后對模型進(jìn)行模擬計(jì)算，分別計(jì)算煤柱寬度為20、25、30、35、40 m 時(shí)，隨著工作面推進(jìn)至100 m，巷道煤柱的應(yīng)力圖，如第191 頁圖1 所示。

從圖1 中可以看出，當(dāng)煤柱寬度為20 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱受到一次采動影響，此時(shí)巷道圍巖應(yīng)力在巷道側(cè)幫位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力的最大值為24.11 MPa，而當(dāng)煤柱寬度增加至25 m 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力最大值的位置與煤柱寬度20m 時(shí)幾乎相同，應(yīng)力最大值為23.9 MPa，可以看出，受到一次擾動的影響，煤柱寬度20 m 與25 m 時(shí)的應(yīng)力值幾乎不發(fā)生變化，當(dāng)煤柱寬度增大為30 m 時(shí)，此時(shí)的巷道圍巖受到一次采動影響，巷道的最大值應(yīng)力值為20.65 MPa，當(dāng)煤柱寬度為35 m 時(shí)，同樣此時(shí)的圍巖應(yīng)力最大值與煤柱寬度30 m 時(shí)幾乎類似，而當(dāng)煤柱寬度增大至40 m 時(shí)，此時(shí)的巷道圍巖最大應(yīng)力值為20.56 MPa，雖然應(yīng)力值為5 種方案中最低的，但其由于煤柱寬度尺寸較大，煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重，所以經(jīng)濟(jì)性較差，所以可以得出最佳的煤柱寬度為30 m。

圖1 不同煤柱寬度下巷道圍巖應(yīng)力圖

對不同煤柱寬度下的巷道頂板底板及巷道兩幫的移近量進(jìn)行分析，給出不同煤柱寬度巷道變形曲線圖，如第191 頁圖2 所示。

從圖2 可以看出，隨著推進(jìn)次數(shù)的增加，巷道頂板及底板變形量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，在推進(jìn)次數(shù)為0～14 次時(shí)（推進(jìn)距離為140 m 以內(nèi)時(shí)），此時(shí)巷道頂板底板的變形量隨推進(jìn)次數(shù)的增加變化趨勢較小，而當(dāng)推進(jìn)次數(shù)大于14 次時(shí)，此時(shí)頂板及底板的變形量增加的趨勢逐步增大，同時(shí)對比不同煤柱寬度下的巷道頂板底板移近量曲線可以看出，隨著煤柱寬度的增加，巷道頂板底板移近量呈現(xiàn)減小的趨勢，但煤柱寬度30 m、35 m 與40 m 時(shí)巷道頂板底板移近量變化趨勢幾乎類似，觀察不同煤柱寬度下巷道兩幫的移近量可以看出，隨著推進(jìn)次數(shù)的增加，巷道兩幫變形量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，當(dāng)推進(jìn)次數(shù)小于10 次時(shí)，此時(shí)的巷道兩幫移近量增大幅度不大，當(dāng)次數(shù)超過10 次時(shí)，此時(shí)的巷道兩幫移近量增大趨勢明顯增大，同樣可以看出煤柱寬度30 m、35 m 與40 m 時(shí)巷道頂板底板移近量變化趨勢幾乎類似，所以隨著煤柱寬度的增大巷道兩幫及頂板底板移近量變化趨勢均減小，頂板底板移近量最大為700 mm，兩幫的移近量為200 m，根據(jù)變形分析可以看出，最佳的煤柱寬度仍為30 m。

圖2 不同煤柱寬度下巷道變形曲線

2 現(xiàn)場實(shí)踐

為了對大采高下合理煤柱寬度進(jìn)行研究，對模擬結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐，選定河津杜家溝煤業(yè)2-101為研究背景，選定合理煤柱寬度為30 m，對工作面順槽表面的位移計(jì)錨索錨桿受力情況進(jìn)行檢測，在工作面內(nèi)部布置3 個(gè)檢測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)距離工作面的距離分別設(shè)定為50、100、150 m，分別在斷面的上下左右中點(diǎn)位置布置監(jiān)測點(diǎn)，采用十字監(jiān)測法對巷道的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測。

如第192 頁圖3 所示，距離工作面不同距離下巷道的兩幫移近量及巷道頂板底板移近量曲線趨勢大致相同，隨著距離工作面距離的增大巷道變形量明顯較小，在距離工作面100 m 以上時(shí)，此時(shí)的巷道兩幫移近量及巷道頂板底板移近量幾乎為零，當(dāng)距離工作面30 m 時(shí)，此時(shí)的巷道兩幫移近量及巷道頂板底板移近量變化最為明顯，可以看出在距離工作面10 m 時(shí)，此時(shí)巷道兩幫移近量及巷道頂板底板移近量均為最大值，但最大值均不超過250 mm，整體變形屬于可控階段，所以煤柱寬度30 m 時(shí)，巷道變形量可以達(dá)到目標(biāo)要求。

圖3 不同測站巷道變形曲線

從圖4 可以看出，剛安裝好應(yīng)力監(jiān)測計(jì)時(shí)，此時(shí)應(yīng)力會出現(xiàn)一定幅度的降低，這是由于安裝時(shí)經(jīng)過一定的加壓，安裝完成后壓力出現(xiàn)一定的下降，壓力區(qū)域穩(wěn)定。在煤柱附近的壓力值較大，而隨著工作面的推進(jìn)，壓力逐步上升，在距離工作面15 m 的位置時(shí)壓力值最大，壓力的最大值不超過250 kN，整體受力狀況較好，煤柱30 m 留設(shè)合理。

圖4 不同測站巷道應(yīng)力曲線

3 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬軟件對不同煤柱寬度下巷道圍巖應(yīng)力圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著煤柱寬度的增大巷道圍巖應(yīng)力逐步降低，但超過30 m 時(shí)下降幅度降低。

2）通過對不同煤柱寬度下巷道圍巖變形量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著推進(jìn)次數(shù)的增加，巷道頂板及底板變形量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，給出最佳煤柱寬度30 m。

3）對模擬計(jì)算得出的合理煤柱寬度30 m 進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖的應(yīng)力及巷道圍巖變形均得到了有效的控制，煤柱留設(shè)寬度較為合理。