厚煤層綜放面區(qū)段煤柱合理寬度研究

趙慧鵬

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030053）

DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2022.03.035

在煤礦采掘過程中，由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境較為惡劣，使得在正常開采過程中，巷道受到的應(yīng)力環(huán)境十分復(fù)雜，在采用厚煤層綜放方法進(jìn)行煤層開采時(shí)，由于區(qū)段煤柱的留設(shè)，使得礦井煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)隨著巷道進(jìn)一步開采，煤柱尺寸增大，煤炭資源浪費(fèi)情況加重[1]，因此，研究厚煤層綜放面煤柱寬度的合理尺寸對(duì)于維持巷道穩(wěn)定性、提升礦井采煤率具有十分重要的意義[2]。本文以鎮(zhèn)城底礦22212 工作面為工程背景，采用數(shù)值模擬及理論分析等方法，對(duì)厚煤層堅(jiān)硬頂板區(qū)段煤柱的留設(shè)進(jìn)行研究，為礦井經(jīng)濟(jì)效益的提升提供一定的參考。

1 鎮(zhèn)城底礦概況

鎮(zhèn)城底礦井田位于西山煤田的西北邊緣，距太原市64 km，礦區(qū)總面積22.8 km2，年生產(chǎn)能力190 萬t。井田含煤層地層為二迭系山西組及石炭系太原組，可采煤層有8 層，主采煤層為2 號(hào)、3 號(hào)和8 號(hào)。煤層總厚度16.79 m，含煤系數(shù)為10.42%，礦井地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。22212 工作面主要開采太原組2 號(hào)煤層，煤層厚度4.5 m，由于保護(hù)煤柱留設(shè)寬度較大，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

2 區(qū)段煤柱留設(shè)理論分析

回采工作面采用的護(hù)巷煤柱一般可分為窄煤柱和寬煤柱兩種，窄煤柱護(hù)巷是在采空區(qū)的邊緣布設(shè)一定寬度的窄煤柱，從而降低巷道的集中應(yīng)力，利用窄煤柱的承載力進(jìn)行巷道支護(hù)。但窄煤柱留設(shè)不合理時(shí)，會(huì)使得煤柱出現(xiàn)壓壞的情況，此時(shí)巷道煤巖的穩(wěn)定性就無法得到保證，會(huì)造成巷道出現(xiàn)大幅度變形。而采用寬煤柱護(hù)巷時(shí)，既需要保證煤柱不會(huì)出現(xiàn)大面積塑性區(qū)破壞，同時(shí)也需要保證資源浪費(fèi)量最小，所以需對(duì)區(qū)段煤柱的合理尺寸進(jìn)行研究。對(duì)區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，隨著煤柱寬度的增大，煤柱的應(yīng)力分布情況也所有不同[3]。煤柱的應(yīng)力分布大致可分為如圖1 所示的三種情形，圖中B 為煤柱寬度，L為支撐壓力影響范圍。

圖1 不同煤柱寬度應(yīng)力分布

從圖1 可以看出，當(dāng)區(qū)段煤柱綜放面回采完成后，此時(shí)工作面的擾動(dòng)使得支撐壓力的影響距離和煤柱寬度分布呈現(xiàn)出三種趨勢(shì)。當(dāng)B＞2L 時(shí)，此時(shí)的載荷分布呈現(xiàn)出堆成分布的情形，對(duì)稱軸為煤柱的中心線，應(yīng)力分布呈現(xiàn)出雙駝峰狀；當(dāng)L＜B＜2L 時(shí)，此時(shí)的應(yīng)力的載荷呈現(xiàn)出疊加趨勢(shì)，整體應(yīng)力分布呈現(xiàn)出馬鞍形；當(dāng)B＜L 時(shí)，此時(shí)的煤柱兩側(cè)應(yīng)力完全疊加，應(yīng)力分布大幅度上升，煤柱中間的應(yīng)力急劇增大，此時(shí)應(yīng)力峰值呈現(xiàn)單峰態(tài)勢(shì)，長(zhǎng)時(shí)間承載后煤柱中間易發(fā)生失穩(wěn)破壞。由此可以看出，在長(zhǎng)期采動(dòng)影響下，煤柱發(fā)生蠕變，從而使得煤柱失穩(wěn)，造成巷道變形。為了分析合理煤柱寬度，利用FLAC3D數(shù)值軟件對(duì)特厚煤層區(qū)段煤柱的合理寬度進(jìn)行分析[4]。

3 數(shù)值模擬分析

首先結(jié)合礦井地質(zhì)條件，構(gòu)建數(shù)值模型，建立模型長(zhǎng)、寬、高分別為394 m、8 m、285 m；在模型頂部施加覆巖自重，經(jīng)過計(jì)算，確定施加5.4 MPa 的均布載荷；對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分后共有66 138 個(gè)單元，98 334 個(gè)節(jié)點(diǎn)；根據(jù)頂?shù)装鍘r層巖性對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)參數(shù)設(shè)定，設(shè)定完成后對(duì)模型寬度進(jìn)行設(shè)定，分別選定煤柱寬度為8 m、10 m、13 m、15 m、20 m 和30 m；隨后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，由于模擬圖較多，本文僅展示8 m、15 m 和20 m 的云圖情況，如圖2 所示。

圖2 不同煤柱寬度煤柱垂直應(yīng)力分布云圖

從圖2 可以看出，在巷道開挖過程中，巷道的原巖應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)重新分布。當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí)，煤柱的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，應(yīng)力集中的區(qū)域較大。當(dāng)煤柱寬度增大至15 m 時(shí)，此時(shí)高應(yīng)力集中區(qū)域的面積大幅度減小，此時(shí)巷道煤柱內(nèi)部的應(yīng)力集中幾乎消失，而在采空區(qū)側(cè)，此時(shí)的應(yīng)力集中區(qū)域無較大變化，隨著煤柱寬度的進(jìn)一步增加，應(yīng)力集中區(qū)域逐步降低，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在巷道側(cè)1 m 左右的位置，在采空區(qū)側(cè)應(yīng)力峰值分布于2～3 m 的位置。在煤柱寬度從8 m增大至20 m 的過程中，此時(shí)巷道的應(yīng)力峰值有了較大幅度的降低，峰值從24.2 MPa 降低至9.2 MPa。

對(duì)不同煤柱回采期間的垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，將煤柱寬度為8 m、10 m、13 m、15 m、20 m、30 m時(shí)的垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行曲線繪制，如圖3 所示。

圖3 不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布曲線

從圖3 可以看出，在工作面回采過程中，由于受到工作面采動(dòng)及采空區(qū)側(cè)向支撐壓力的作用，使得煤柱在回采期間的應(yīng)力峰值較掘進(jìn)期間有了較大幅度的提升。當(dāng)煤柱寬度為8 m 和10 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱內(nèi)部應(yīng)力大致呈現(xiàn)出單峰的趨勢(shì)，應(yīng)力的最大值分別為47.4 MPa 和51.8 MPa；當(dāng)煤柱寬度增大至10 m 以上時(shí)，此時(shí)煤柱的內(nèi)部應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不對(duì)稱的雙峰形態(tài)，而應(yīng)力值較煤柱寬度小于10 m 時(shí)有了較大幅度的降低；在煤柱寬度為15 m 時(shí)，應(yīng)力峰值為37.5 MPa，此時(shí)煤柱內(nèi)部的應(yīng)力環(huán)境較為緩和；而隨著煤柱寬度進(jìn)一步增大，在煤柱寬度20 m 時(shí)，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力峰值為27.5 MPa，在煤柱寬度為30 m 時(shí)，應(yīng)力峰值為19.1 MPa。雖然隨著煤柱寬度增大，煤柱內(nèi)部應(yīng)力及巷道應(yīng)力環(huán)境均有了大幅度的改善，但同時(shí)也會(huì)造成一定的資源浪費(fèi)，所以煤柱的合理寬度應(yīng)該設(shè)定在15～20 m 的范圍，煤柱寬度在此區(qū)段不僅可以保證巷道的穩(wěn)定性，同時(shí)能夠避免造成大量的資源浪費(fèi)[5]。

對(duì)煤柱內(nèi)部的塑性區(qū)變化規(guī)律進(jìn)行分析，繪制出不同煤柱寬度下塑性區(qū)面積與煤柱面積的比值曲線，如圖4 所示。

圖4 不同煤柱寬度下塑性區(qū)面積與煤柱面積的比值曲線

從圖4 可以看出，當(dāng)煤柱寬度為8 m 和10 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱內(nèi)部塑性區(qū)域面積均大于整體面積的60%，同時(shí)在巷道側(cè)的塑性區(qū)域比值小于采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)域比值，可以看出此時(shí)煤柱幾乎完全破壞，在采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力環(huán)境更為惡劣；當(dāng)煤柱寬度大于10 m時(shí)，此時(shí)的整體煤柱內(nèi)部塑性區(qū)占煤柱整體面積的比值有所降低，分別為28%、16%、7%、4%，由此可以得出隨著煤柱寬度的增大，此時(shí)煤柱內(nèi)部塑性區(qū)域面積有所降低，同時(shí)降低的幅度逐步減小，可得出煤柱的寬度對(duì)于煤柱內(nèi)部塑性區(qū)影響較大；當(dāng)煤柱寬度大于15 m 時(shí)，此時(shí)煤柱整體的塑性區(qū)分布能夠滿足要求，區(qū)段煤柱維護(hù)巷道穩(wěn)定性的作用得到保障。因此，煤柱寬度的選擇應(yīng)當(dāng)選定為15 m。

4 結(jié)論

1）為了研究22212 綜放工作面開采煤層區(qū)段煤柱的合理尺寸，對(duì)寬煤柱支護(hù)巷道應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，為后續(xù)煤柱寬度的選擇提供依據(jù)。

2）通過對(duì)不同煤柱寬度下煤柱垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著巷道煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力有了明顯的減小，在考慮資源浪費(fèi)情況下，確定煤柱寬度為15～20 m 時(shí)最佳。

3）對(duì)不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部塑性區(qū)分布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著煤柱寬度增加，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)面積減小，15 m 的煤柱寬度為最經(jīng)濟(jì)、安全且合理的寬度。