綜放沿空掘巷窄煤柱合理寬度數(shù)值模擬研究

李德中　王賽騫

摘要：綜放開采技術(shù)已成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)的途徑之一，為提高采出率，綜放沿空掘巷技術(shù)得到推廣。窄煤柱合理寬度的確定是保證沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵一環(huán)，本文采用FLAC3D軟件對(duì)不同寬度窄煤柱條件進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)窄煤柱內(nèi)應(yīng)力、位移分布特征綜合分析，研究結(jié)果表明：煤柱過(guò)窄，巷道圍巖整體性差、承載能力較小，煤柱過(guò)寬，巷道變形增加，結(jié)合所給地質(zhì)情況，最終確定綜放沿空掘巷窄煤柱的合理寬度為5-6 m。

關(guān)鍵詞：綜放沿空掘巷；煤柱寬度；數(shù)值模擬

0引言

我國(guó)煤炭資源分布廣泛，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，采礦規(guī)模不斷擴(kuò)大。經(jīng)過(guò)近20年的不斷探索、試驗(yàn)和研究，綜放開采技術(shù)已成為我國(guó)煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的途徑之一[2-3]。綜放開采回采巷道的布置方式可分為大煤柱護(hù)巷、沿空掘巷、沿空留巷，大煤柱護(hù)巷將回采巷道布置在側(cè)向支承壓力影響范圍外，巷道易于維護(hù)，但對(duì)于厚煤層來(lái)說(shuō)，煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重；沿空留巷所需工藝較復(fù)雜，巷道變形嚴(yán)重，不宜維護(hù)；沿空掘巷將巷道布置在側(cè)向支承壓力降低區(qū)，留窄煤柱護(hù)巷，大大減少了資源浪費(fèi)且有利于巷道維護(hù)。綜放沿空掘巷窄煤柱寬度的確定不僅影響煤炭采出率，而且關(guān)系到巷道圍巖穩(wěn)定性，因此本文采用數(shù)值模擬針對(duì)綜放沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定進(jìn)行研究。

1工程地質(zhì)條件

3104軌道巷位于三一采區(qū)回風(fēng)巷北，巷道長(zhǎng)1482m。3104工作面所采煤層為山西組中下部3#煤層，有陸相湖泊沉積而成，煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度6.02 m，無(wú)夾矸，煤層傾角一般小于10°，工作面寬度為180m，平均埋深400 m，工作面采放比為1：1。直接頂為灰黑色泥巖，厚度為2 m左右。基本頂為4.6 m的細(xì)砂巖，致密堅(jiān)硬。直接底為黑色的砂泥巖，厚度為4 m。

2窄煤柱合理寬度的數(shù)值模擬模型

本文采用FLAC3D有限差分軟件，對(duì)窄煤柱內(nèi)支承壓力及變形進(jìn)行模擬，為確定合理的窄煤柱寬度提供一定依據(jù)。采用Mohr-Coulomb模型，模型尺寸為160 m×80 m×46 m，共110400個(gè)單元，118017個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型底部固定，側(cè)面限制水平移動(dòng)，上表面施加垂直載荷模擬上覆巖層重量，側(cè)壓系數(shù)為1.2，模擬方案如表1所示。

2.1窄煤柱掘巷期間煤柱應(yīng)力分布

取煤柱高度一半的中部層位研究煤柱內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)分布情況，掘進(jìn)期間沿煤柱寬度方向的垂直應(yīng)力分布如圖1所示。

由圖1可見，掘進(jìn)階段綜放工作面沿空掘巷窄煤柱應(yīng)力分布具有如下特征：

（1）不同煤柱寬度窄煤柱垂直應(yīng)力變化規(guī)律。窄煤柱垂直應(yīng)力峰值隨著窄煤柱寬度的增大不斷增大，其變化分為兩個(gè)階段：

1）窄煤柱寬度為3 m~7 m，煤柱由3 m增大到7 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值基本呈線性增大趨勢(shì)，斜率較大，3 m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為5.00 Mpa，4 m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為7.45 Mpa，5 m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為9.22 Mpa，6 m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為12.2 Mpa，7 m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為14.2 Mpa。

2）窄煤柱寬度為 8 m~10 m，煤柱由8 m增大到10 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值基本穩(wěn)定，增加不大，8 m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為14.5 Mpa，9 m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為14.8 Mpa，10 m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為15.1 Mpa。

（2）煤柱寬度對(duì)煤柱淺部應(yīng)力的影響。煤柱3 m～5 m時(shí)，淺部應(yīng)力較小，煤柱超過(guò)6 m后，淺部應(yīng)力隨著煤柱寬度增大而增大。煤柱寬度為5 m~6 m時(shí)，窄煤柱應(yīng)力集中系數(shù)較小，最大僅為1.25，窄煤柱相對(duì)比較穩(wěn)定，為比較合理的窄煤柱寬度。

2.2窄煤柱變形機(jī)理

取煤柱高度一半的中部層位為研究對(duì)象，煤柱內(nèi)水平位移場(chǎng)分布特征如下圖所示。

由圖2～圖3可見，掘進(jìn)期間煤柱水平位移具有以下特征：

（1）向采空區(qū)側(cè)水平位移。煤柱寬度由3 m增大到5 m時(shí)，煤柱向采空區(qū)側(cè)的位移隨煤柱寬度增大而增大，增長(zhǎng)速度逐漸減小，窄煤柱寬度超過(guò)5 m后，煤柱向采空區(qū)側(cè)位移逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，留設(shè)5m煤柱時(shí)，向采空區(qū)側(cè)位移最大，達(dá)30 mm。

（2）向巷道方向水平位移。窄煤柱寬度3 m~4 m時(shí)，煤柱向巷道方向位移增加較大，大于4 m后，窄煤柱向巷道方向位移隨煤柱寬度增加而呈線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度較慢。

3窄煤柱寬度的合理確定

3.1確定窄煤柱合理寬度的原則

窄煤柱合理寬度的確定是保證沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵一環(huán)，應(yīng)滿足以下原則：

3.1.1巷道處于應(yīng)力降低區(qū)

采空區(qū)側(cè)向支承壓力分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力升高區(qū)，將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)時(shí)，巷道頂板下沉量、窄煤柱幫水平移近量以及實(shí)體煤幫移近量均有很大程度的降低，利于巷道維護(hù)，因此，在應(yīng)力降低區(qū)布置巷道較為合理。模擬結(jié)果表明距3102工作面的7 m～21 m范圍為側(cè)向支承壓力的峰值影響區(qū)。所以，窄煤柱的寬度應(yīng)當(dāng)小于7 m或者大于21 m，為提高采出率，煤柱寬度應(yīng)小于7 m。

3.1.2窄煤柱內(nèi)部有穩(wěn)定的區(qū)域

由于上區(qū)段工作面回采影響和本工作面回采巷道掘進(jìn)影響，在煤柱兩側(cè)存在不同程度的破碎區(qū)，該區(qū)域內(nèi)圍巖承載能力小、穩(wěn)定性差。巷道采用錨桿支護(hù)時(shí)，為保證支護(hù)效果，應(yīng)將錨桿錨固在穩(wěn)定煤體中。模擬結(jié)果表明：留設(shè)3 m窄煤柱時(shí)，巷道變形嚴(yán)重且煤柱破碎，垂直應(yīng)力峰值大于4 m～5 m煤柱時(shí)的垂直應(yīng)力峰值。

3.2合理的窄煤柱寬度

綜上所述，確定合理的窄煤柱寬度為5 m~6 m，窄煤柱寬度為5 m~6 m時(shí)，圍巖位移及應(yīng)力均較小，煤柱中部存在位移較小且穩(wěn)定部分。

4結(jié)論

（1）通過(guò)研究窄煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布特征，可知窄煤柱垂直應(yīng)力峰值隨煤柱寬度的增加先增大，當(dāng)煤柱寬度達(dá)到8m后應(yīng)力峰值基本保持穩(wěn)定，且垂直應(yīng)力峰值位置大約在距采空區(qū)側(cè)1 m~2 m處。為保證煤柱的完整與穩(wěn)定，考慮煤柱應(yīng)力分布，煤柱寬度為5~6 m較為合理。

（2）通過(guò)研究窄煤柱內(nèi)水平位移特征，可知煤柱向采空區(qū)側(cè)位移隨煤柱寬度增大而增大，當(dāng)煤柱寬度達(dá)到5 m后減小最終趨于穩(wěn)定；煤柱向巷道方向位移隨煤柱寬度增加而增大，煤柱寬度大于4 m后增長(zhǎng)速度緩慢；煤柱寬度為5~6 m時(shí)，煤柱中部位移穩(wěn)定且較小。

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