厚煤層堅硬頂板下區段煤柱合理留設研究

張富榮

（西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦, 山西太原 030053）

1 概述

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構中占據7成以上的比重, 隨著清潔能源技術的不斷進步, 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間, 煤炭資源的消耗仍是我國國民生產生活的重要依靠。隨著開采年限的不斷增加, 煤礦開采深度不斷加大, 此時在進行煤層開采過程中, 由于采高較大, 使得巷道圍巖變形情況嚴重[1], 造成巷道的支護煤柱尺寸增加, 浪費資源, 為了降低礦井煤柱尺寸, 本文以鎮城底礦22113工作面工程背景, 通過理論分析結合數值模擬軟件對不同煤柱寬度下巷道的受力變形情況進行研究, 旨在找到合理的煤柱留設寬度, 提升煤炭資源開采效率。

2 礦井概況及數值模擬研究

鎮城底礦井田位于西山煤田的西北邊緣, 距太原市64km, 礦區總面積22.8km2, 生產能力190×104t/a。井田含煤層地層為二疊系山西組及石炭系太原組, 可采煤層8層, 主采煤層為2#、3＃和8＃。煤層總厚度16.79m, 含煤系數為10.42%, 鎮城底礦地質構造較復雜。

在雙巷掘進過程中, 由于回風順槽受到兩次采動的影響, 使得礦井側向礦壓現象顯現嚴重, 回采巷道變形較為嚴重, 巷道底板出現底鼓現象, 而區段留設煤柱也出現一定的變形, 所以需要對合理煤柱留設寬度進行研究。本文選定Flac3d數值模擬軟件進行模擬研究, 首先進行模型的建立, 首先給定模型的長寬高分別為785m×220m×206m, 巷道的矩形斷面尺寸為5m×4m, 對模型進行網格劃分, 考慮到本文對計算精度的要求及計算時間的要求后, 對巷道附近進行細化分, 對距離巷道較遠的部位進行粗劃分, 完成網格劃分后對模型的力學屬性進行設定, 根據實際地質資料對其進行設置, 完成力學參數設置后對模型的邊界條件進行設置, 限制模型四邊的X、Y方向位移, 同時在模型的頂端施加覆巖自重16MPa的均布載荷, 完成模型設定后對模型進行模擬計算, 分別計算煤柱寬度為20m、25m、30m、35m和40m時, 隨著工作面推進至100m[2]。巷道煤柱的應力圖如圖1所示。

從圖1中可以看出, 當煤柱寬度為20m時, 此時的煤柱受到一次采動影響, 此時巷道圍巖應力在巷道側幫位置出現應力集中, 應力的最大值為24.11MPa, 而當煤柱寬度增加至25m時, 此時的應力最大值的位置與煤柱寬度20m時幾乎相同, 應力最大值為23.9MPa, 可以看出, 受到一次擾動的影響, 煤柱寬度20m與25m時的應力值幾乎不發生變化, 當煤柱寬度增大為30m時, 此時的巷道圍巖受到一次采動影響, 巷道的最大值應力值為20.65MPa, 當煤柱寬度為35m時, 同樣此時的圍巖應力最大值與煤柱寬度30m時幾乎類似, 而當煤柱寬度增大至40m時, 此時的巷道圍巖最大應力值為20.56MPa, 雖然應力值為5種方案中最低的, 但其由于煤柱寬度尺寸較大, 煤炭資源浪費嚴重, 所以經濟性較差, 所以可以得出最佳的煤柱寬度為30m[3]。

圖1 不同煤柱寬度下巷道圍巖應力圖

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行分析, 給出不同煤柱寬度巷道變形曲線如圖2所示。

圖2 不同煤柱寬度下巷道變形曲線

從圖2可以看出, 隨著22113工作面的推進次數的增加, 巷道頂板及底板變形量呈現逐步增大的趨勢, 在推進次數為0～14次時（推進距離為140m以內時）, 此時巷道頂板底板的變形量隨推進次數的增加變化趨勢較小, 而當推進次數大于14次時, 此時頂板及底板的變形量增加的趨勢逐步增大, 同時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減小的趨勢, 但煤柱寬度30m、35m與40m時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, 隨著推進次數的增加, 巷道兩幫變形量呈現逐步增大的趨勢, 當推進次數小于10次時, 此時的巷道兩幫移近量增大幅度不大, 當次數超過10次時, 此時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30m、35m與40m時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700mm, 兩幫的移近量為200m, 根據變形分析可以看出, 最佳的煤柱寬度仍為30m[4]。

3 現場實踐

為了對大采高下合理煤柱寬度進行研究, 對模擬結果進行現場實踐, 選定合理煤柱寬度為30m, 對工作面順槽表面的位移計錨索錨桿受力情況進行檢測, 在工作面內部布置3個檢測點, 監測點距離工作面的距離分別設定為50m、100m、150m, 分別在斷面的上下左右中點位置布置監測點, 采用十字監測法對巷道的應力應變進行監測。

從圖3可以看出, 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100m以上時, 此時的巷道兩幫移近量及巷道頂板底板移近量幾乎為零, 當距離工作面30m時, 此時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10m時, 此時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250mm, 整體變形屬于可控階段, 所以煤柱寬度30m時, 巷道變形量可以達到目標要求[5]。

從圖4可以看出, 剛安裝好應力監測計時, 此時應力會出現一定幅度的降低, 這是由于安裝時經過一定的加壓, 安裝完成后壓力出現一定的下降, 壓力區域穩定。在煤柱附近的壓力值較大, 而隨著工作面的推進, 壓力逐步上升, 在距離工作面15m的位置時壓力值最大, 壓力的最大值不超過250kN, 整體受力狀況較好, 煤柱30m留設合理。

4 結論

（1）通過數值模擬軟件對不同煤柱寬度下巷道圍巖應力圖進行分析, 發現隨著煤柱寬度的增大巷道圍巖應力逐步降低, 但超過30m時下降幅度降低。

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

（3）對模擬計算得出的合理煤柱寬度30m進行現場實踐, 發現巷道圍巖的應力及巷道圍巖變形均得到了有效的控制, 煤柱留設寬度較為合理。