常村煤礦區段煤柱尺寸數值模擬研究

籍志強,閆晉峰,董 飛,韓庚彪

(山西潞安礦業(集團)有限責任公司 常村煤礦,山西 長治 046102)

長壁開采在我國得到廣泛應用,留設區段煤柱是其主要的護巷手段[1]。區段煤柱一方面將采空區隔離,另一方面承載開采引起的支撐壓力,煤柱過窄將引起漏風和巷道支護困難,煤柱過寬將導致資源回收率降低[2-3]。如何確定合理區段煤柱尺寸成為亟待解決的問題。

文獻[4]采用理論分析、數值模擬與現場實測的方法,對急傾斜工作面煤柱進行深入研究,得出煤柱主要受傾向剪應力而發生臺階破壞。文獻[5]對平朔井工三礦區段煤柱進行研究,結果表明煤柱寬度大于極限值時,應力呈現雙峰分布,否則呈單峰分布。文獻[6]針對極近距煤層區段煤柱進行分析,給出了上下煤層合理的煤柱寬度。文獻[7]針對大傾角特厚煤層進行數值模擬分析,給出了合理的煤柱寬度。

以常村煤礦2207工作面為研究對象,采用FLAC3D建立了考慮上、下工作面采動影響的數值模型,對煤柱及巷道圍巖進行分析,給出了煤柱應力、煤柱塑性破壞、巷道圍巖應力、巷道圍巖塑性破壞及巷道圍巖變形的分布以及隨工作面推進的變化規律。

1 工程背景

2207工作面布局如圖1所示,潞安集團常村煤礦2207工作面位于井田邊界,其南部為郭莊煤礦采空區,邊界煤柱(與區段煤柱性質相近)寬度27 m。該工作面傾斜長度210 m,地層傾角0°～7°,煤層平均厚度5.95 m,采高3.0 m±0.1 m,采放比1.1:1。

為預測本工作面煤柱穩定性、軌道順槽(與煤柱相鄰)圍巖變形量,以及對后續工作面煤柱尺寸進行優化,采用數值模擬手段對煤柱及順槽圍巖進行研究。

圖1 工作面布局示意圖Fig.1 Working face layout

2 數值模擬

2.1 模型概況

2.1.1模型建立

采用FLAC3D中Extrusion模塊,建立尺寸為x(工作面長度方向)×y(工作面推進方向)×z(重力方向)=557 m×402 m×60 m的數值模型。為提高研究區域精度并使網格數量控制在合理范圍之內,采用局部加密方式劃分網格,模型共228 990網格,253 760節點。圍巖采用莫爾-庫倫模型進行分析計算,并考慮重力加速度g=9.81 m/s2。模型邊界條件為:底部固支,側面限制水平位移,頂部采用應力邊界模擬上覆巖層載荷。建立好的數值模型如圖2所示。

2.1.2開挖步驟

數值模型開挖步驟，如圖3所示,首先在測站位置布置煤柱應力測線(間隔每米1個測點,共27個)后,對郭莊煤礦工作面進行回采,以形成2207工作面回采前的煤柱初始條件與邊界條件;接著布置2207工作面順槽與切眼;最后對2207工作面進行回采,共推進300 m,前250 m每循環5 m,后50 m每循環2 m,推至測站處結束。

圖2 數值模型圖Fig.2 Numerical simulation model

3-a 郭莊煤礦回采

3-b 常村礦2207工作面回采圖3 數值模型開挖步驟Fig.3 Digging procedure with numerical simulation

2.2 煤柱分析

2.2.1煤柱應力分析

由圖4和圖5可知,測站處回采巷道在報廢時(即工作面推進至測站時),煤柱兩側的采空區形態不同(左側僅左后方為采空區,右側全部為采空區),進而導致其受力狀態及破壞深度不同,煤柱左側應力峰值深度約為5 m,達32 MPa,煤柱右側應力峰值深度約為9 m,達37 MPa;測站距工作面約50 m處開始,煤柱垂直應力隨測站與工作面距離減小而增大,應力增大速率也不斷增大;自煤柱兩側均進入采空區開始算起,煤柱約滯后工作面60 m達到應力峰值60 MPa,左右兩側應力發展為對稱分布。

圖4 煤柱垂直應力云圖Fig.4 Vertical stress nephogram of coal pillars

圖5 煤柱垂直應力監測結果Fig.5 Monitoring data of vertical stress of coal pillars

2.2.2煤柱塑性破壞區分析

由圖6和圖7可知,測站處回采巷道在報廢時,煤柱兩側塑性破壞范圍亦不同,煤柱左側破壞深度5 m,煤柱右側破壞深度9 m,彈性核寬度約13 m,彈塑性區交界均位于垂直應力峰值處;測站距工作面約50 m處開始,煤柱左側塑性破壞范圍隨測站與工作面距離減小而快速增大,煤柱右側塑性破壞范圍緩慢增大;自煤柱兩側均進入采空區開始算起,煤柱塑性破壞范圍約滯后工作面50 m達到最大,左右兩側塑性破壞區發展為對稱分布。

圖6 煤柱塑性破壞區Fig.6 Plastic failure zones of coal pillars

圖7 采場塑性破壞區Fig.7 Plastic failure zones in mining areas

2.3 巷道分析

2.3.1巷道圍巖應力分析

由圖8和圖9可知,測站距工作面約50 m處開始,巷道圍巖應力水平隨測站與工作面距離減小而快速增大,采場支撐壓力及巷道頂板水平應力不斷由工作面煤壁向煤柱轉移,巷道應力峰值不斷向圍巖深部轉移;巷道圍巖應力降低區包絡了所有錨桿全長,這減弱了錨桿對圍巖裂隙的強化作用及其對圍巖的錨固能力,對充分發揮錨桿的支護能力不利。

2.3.2巷道圍巖塑性破壞分析

由圖10可知,測站距工作面約50 m處開始,巷道兩幫塑性破壞范圍隨測站與工作面距離減小而快速增大,而頂底板塑性破壞區基本不變;工作面幫塑性破壞初始范圍較煤柱幫小,但增速較煤柱幫大,測站距工作面6 m時,工作面幫整體進入塑性破壞區;巷道圍巖塑性破壞區亦包絡了所有錨桿全長,亦對充分發揮錨桿的支護能力不利。

圖8 巷道圍巖垂直應力云圖Fig.8 Vertical stress nephogram of surrounding rocks

圖9 巷道圍巖水平應力云圖Fig.9 Horizontal stress nephogram of surrounding rock

圖10 巷道圍巖塑性破壞區Fig.10 Plastic failure zones of surrounding rocks

2.3.3巷道圍巖變形分析

由圖11和圖12可知,回采前巷道煤柱幫移近量已達110 mm,明顯較工作面幫移近量77 mm大,這表明郭莊煤礦的采空區已對整個寬度的煤柱造成擾動;測站距工作面約50 m處開始,巷道圍巖變形量隨測站與工作面距離減小而快速增大,工作面幫及底板增速明顯大于煤柱幫,底鼓量一直很小;測站處回采巷道在報廢時(即工作面推進至測站時),巷道頂板下沉量達到233 mm,底鼓量達到16 mm,工作幫移近量達到212 mm,煤柱幫移近量達到167 mm。

圖11 巷道圍巖位移云圖Fig.11 Displacement nephogram of surrounding rocks

圖12 巷道圍巖位移監測結果Fig.12 Monitoring results on the displacement of surrounding rocks

3 結論

1)回采巷道在報廢時,煤柱兩側的采空區形態不同(左側僅左后方為采空區,右側全部為采空區),進而導致其受力狀態及破壞深度不同,煤柱左側應力峰值深度約5 m,達32 MPa,煤柱右側應力峰值深度約9 m,達37 MPa。

2)煤柱寬度27 m條件下,回采巷道在報廢時煤柱彈性核寬度為13 m,大于2倍平均采高5.95 m×2=11.9 m。但數值模擬難以考慮煤層厚度的變化、巖層節理及局部構造,因此在考慮安全系數1.3的情況下,建議煤柱寬度增加至35 m。

3)工作面超前壓力較明顯的影響范圍為50 m～60 m,此時煤柱應力及塑性破壞區開始快速增大,巷道變形量也開始快速增大,因此回采巷道超前支護距離應大于60 m。

4)回采過程中,巷道圍巖塑性破壞范圍包絡了錨桿全長,對錨桿支護能力的發揮不利,建議增加幫錨索,適當增加頂錨桿長度保證其錨入巖層,適度增大錨桿預緊力。

[1] 霍永釗.官地礦3號煤層區段煤柱合理留設研究[D].邯鄲:河北工程大學,2017.

[2] 孔德中,王兆會,李小萌,等.大采高綜放面區段煤柱合理留設研究[J].巖土力學,2014,35(S2):460-466.

KONG Dezhong,WANG Zhaohui,LI Xiaomeng,etal.Study of Reasonable Width of Full-mechanized Top-coal Caving with Large Mining Height[J].Rock and Soil Mechanics,2014,35(S2):460-466.

[3] 常江陽.厚煤層綜放開采工作面區段煤柱參數優化研究[D].太原:太原理工大學,2016.

[4] 屠洪盛,屠世浩,白慶升,等.急傾斜煤層工作面區段煤柱失穩機理及合理尺寸[J].中國礦業大學學報,2013,42(1):6-11,30.

TU Hongsheng,TU Shihao,BAI Qingsheng,etal. Instability of a Coal Pillar Section Located at a Steep Mining Face:Pillar Size Selection[J].Journal of China University of Mining & Technology,2013,42(1):6-11,30.

[5] 李安靜.平朔井工三礦區段煤柱寬度優化研究[J].煤炭科學技術,2012,40(4):45-48.

LI Anjing.Study on Width Optimization of Sectional Coal Pillar in Pingshuo No.3 Underground Mine[J].Coal Science and Technology,2012,40(4):45-48.

[6] 索永錄,劉建都,周麟晟,等.極近距離煤層群開采區段煤柱合理寬度的研究[J].煤炭工程,2014,46(11):8-10,14.

SUO Yonglu,LIU Jiandou,ZHOU Linsheng,etal.Study on Reasonable Width of Sectional Coal Pillar in Ultra-close Coal Seams Mining[J].Coal Engineering,2014,46(11):8-10,14.

[7] 任重先.大傾角特厚煤層區段煤柱合理尺寸研究[J].山西煤炭,2017,37(3):23-26.

REN Zhongxian.Reasonable Size of Section Coal Pillars in Steep Thick Coal Seam[J].Shanxi Coal,2017,37(3):23-26.