沿空掘巷小煤柱合理寬度的數值模擬研究

馬金錄

(鄭州煤炭工業(集團) 楊河煤業有限公司，河南 新密 452382)

無煤柱護巷技術由于巷道布置在應力降低區，巷道容易維護、提高成巷速度、降低煤炭損失，是目前煤礦廣泛使用的安全高效的巷道留設方法。 無煤柱護巷分2種形式，即沿空留巷、留窄小煤柱沿空掘巷，由于煤柱能夠阻隔采空區的水與有害氣體的串入，留窄小煤柱沿空掘巷[1]是煤礦尤其是水或瓦斯賦存豐富的煤礦最為常見的無煤柱護巷方法，其中煤柱寬度的留設與巷道內設計是該方法的關鍵[2]，雖然巷道布置在采空區邊緣的應力降低區內，改變了原有的應力平衡[3]，但是對應力場的擾動較輕，有利于巷道的安全。煤柱的穩定決定了巷道圍巖的穩定性，合理的煤柱尺寸[4-6]對于巷道穩定性、煤炭回收率以及工作面的安全接替具有重要意義[7-9]。本文以某礦專用回風巷為背景，通過理論計算確定煤柱寬度的留設范圍，結合數值模擬的方法對留設不同寬度的煤柱時的應力、位移分布規律及安全穩定性進行分析，對比確定煤柱的最佳寬度，為工程實踐提供參考。

1 工程概況

某礦相對瓦斯涌出量為11 m3/t，屬于高瓦斯礦井，1101工作面主采厚2.1～4.2 m(平均厚3.2 m)的2號煤層，煤層結構簡單，頂板為細砂巖，底板為粉砂巖。綜合該礦煤層條件分析，確定沿空掘進的專用回風大巷位于西大巷軌道巷與1101工作面之間寬40 m的保護煤柱內，沿2號煤層底板掘進的巷道，專用回風巷服務年限較長，巷道距采空區距離選取較為關鍵。專用回風巷位置如圖1所示。

圖1 專用回風巷位置

2 小煤柱寬度的理論計算

煤柱中塑性區的寬度即支承壓力峰值與煤壁的距離是小煤柱寬度確定的前提，根據其寬度進而可以確定煤柱寬度的范圍，利用經驗公式計算支承壓力峰值距煤壁的距離B：

B=15-0.475f0-0.16RC-0.2α+1.6m+1.7h

(1)

式中，f0為煤層堅固性系數，取2；RC為頂板巖石單向抗壓強度，取40 MPa；α為煤層傾角，取10°；m為采高，取3.2 m；h為煤層深度，取1 km。

將各參數代入式(1)計算得，B=16.04 m。

采空區側煤體中在工作面開采后產生的塑性區寬度x0為：

(2)

式中，m為煤層厚度，取3.2 m；A為側壓系數，取2.5；φ0為煤體的內摩擦角，取30°；k為應力集中系數，取3.5；ρ為上覆巖層平均密度，取 3.5 t/m3；h為煤層埋深，取1 000 m；c為煤體的黏聚力，取1.2 MPa；p為支架對煤幫的阻力，取 0.1 MPa。

計算得到x0=15.03 m。

綜合2種理論計算得出的煤柱寬度臨界寬度可知，15.03 m是小煤柱最大留設寬度，此時能夠使得巷道處于應力降低區內，避免支承壓力峰值。

3 數值模型建立

根據掘進巷道地質狀況，得出模擬巖層力學參數，見表1。

表1 模擬巖層力學參數

利用FLAC3D模擬沿1101工作面采空區邊緣留設小煤柱沿空掘巷，研究煤柱和專用回風巷的穩定性。模擬煤層厚3.2 m，直接頂和基本頂厚度分別為6、9 m，直接底和基本底厚度分別為2.4、6.4 m，上覆和下伏巖層各取20 m。將專用回風巷左側20 m和右側30 m煤體劃分為1.0 m×0.5 m(寬×高，以下同)塊體，直接頂劃分為1.0 m×0.6 m塊體，基本頂劃分為1.0 m×1.5 m塊體，直接底劃分為1.0 m×0.8 m塊體，基本底劃分為1.0 m×1.6 m塊體；將另兩側煤體劃分為2.0 m×0.5 m塊體，直接頂劃分為2.0 m×0.6 m塊體，基本頂劃分為2.0 m×1.5 m塊體，直接底劃分為2.0 m×0.8 m塊體，基本底劃分為2.0 m×1.6 m塊體。模型尺寸為188 m×67.5 m，其底部邊界沿垂直方向固定，而左右邊界沿水平方向固定，如圖2所示。

圖2 數值模擬模型

4 窄煤柱合理寬度的確定

根據理論分析結果，設計窄煤柱寬度小于15.03 m的7種方案進行選優：方案①—方案⑦煤柱寬度分別為3、4、5、6、8、10、15 m。

4.1 煤柱寬度對應力分布影響

當在7種不同煤柱寬度下，巷道掘進過程中，沿煤柱寬度方向的應力分布如圖3所示，煤柱寬度與垂直應力的關系如圖4所示。

圖3 沿煤柱寬度方向垂直應力分布

圖4 煤柱寬度與垂直應力的關系

由圖3、圖4可知，煤柱的寬度對垂直應力大小及其分布具有顯著影響，當煤柱寬度大于4 m時，煤柱寬度與垂直應力呈非線性增長，隨著煤柱寬度的增加，垂直應力增大，但增大幅度逐漸降低；當煤柱寬度為4 m時垂直應力峰值為16.71 MPa，當煤柱寬度為15 m時則達到 31.1MPa，煤柱的穩定受煤柱內垂直應力的影響，垂直應力峰值越大越不利于煤柱的穩定；當煤柱寬度比較小時如3 m，其垂直應力峰值為19.27 MPa，較煤柱為4 m時的應力峰值大。由圖4可以看出，垂直應力最小值出現在煤柱寬度為4～5 m時，此時最有利于煤柱的穩定。當煤柱寬度超過10 m，垂直應力峰值基本穩定。

峰值點距煤柱幫距離與煤柱寬度呈正相關，當煤柱寬度小于6 m時，曲線呈下凹狀，該距離與煤柱寬度呈正相關，但其增加幅度較小，當煤柱寬度大于6 m時，峰值距煤柱幫得距離隨寬度的增加呈近似線性增加，當煤柱寬度大于10 m時，增加的趨勢逐漸放緩，如圖5所示。

圖5 煤柱寬度與峰值距煤柱幫距離的關系

4.2 煤柱寬度對位移分布的影響

7種不同寬度煤柱情況下，巷道掘進期間煤柱內水平位移分布如圖6所示，煤柱寬度與其表面位移的關系如圖7所示。其中，向采空區內側位移用負值表示，向巷道內位移用正值表示。

圖6 掘進時不同寬度煤柱內的水平位移分布

由圖6、圖7可以看出，當煤柱寬度小于8 m時，煤柱內向巷道內的位移與煤柱寬度呈正相關，即水平位移隨煤柱寬度的增大而增大，當煤柱寬度大于8 m時，二者呈負相關。當煤柱寬度大于10 m時，煤柱內向巷道內的位移基本趨于穩定。3 m寬度煤柱表現出明顯的不穩定變形趨勢；4～5m寬度煤柱有較小的向巷道內位移量；6～9 m寬度煤柱的向巷道內位移量增長迅速且呈近似線性增長，10～15 m寬度煤柱向巷道內的位移變化雖小，但明顯大于4～5 m寬度煤柱寬時的向巷道內位移量。

圖7 掘巷期間煤柱寬度與其表面位移的關系

綜上所述，通過對不同煤柱寬度下工作面沿空掘巷進行模擬分析，綜合對比分析應力及位移分布，確定4～5 m為沿空留巷窄小煤柱的最佳寬度。

5 結論

(1)根據采煤工作面相關參數，基于理論計算確定沿空掘巷小煤柱寬度最大為15.03 m。

(2)當煤柱寬度為4～5 m時，煤柱內垂直應力峰值最小；當煤柱寬度大于10 m時，垂直應力峰值基本趨于穩定。煤柱向巷道內的位移相對較小且煤柱中部位移穩定，煤柱向巷道內的位移峰值為煤柱寬度為8 m處，當煤柱寬度大于10 m時，煤柱向巷道內位移趨于穩定。

(3)沿空掘巷留設小煤柱寬度范圍為4～5 m。

相似地質條件下采用以上小煤柱留設方式，能取得較好的應用效果。