基于FLAC數(shù)值模擬的工作面小煤柱合理尺寸確定

郭子程

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

0 引言

小煤柱是保證相鄰兩工作面順利回采的隔離體，在生產(chǎn)過程中要經(jīng)歷順槽掘進(jìn)、臨近工作面回采等階段，采用小煤柱護(hù)巷時由于多次擾動的作用，易出現(xiàn)巷道圍巖變形大、破碎度高、頂板穩(wěn)定性差等一系列礦壓現(xiàn)象，存在發(fā)生頂板事故和煤巖沖擊的安全隱患。針對這一問題，國內(nèi)許多學(xué)者及現(xiàn)場工程技術(shù)人員對小煤柱合理尺寸進(jìn)行了深入研究[1 -4]。合理的小煤柱尺寸可以確保煤柱自身及相鄰巷道的穩(wěn)定性，小煤柱留設(shè)尺寸過大則浪費(fèi)煤炭資源，留設(shè)尺寸過小則其剛度越小，在相同荷載下煤柱的變形越大，過大的變形將造成煤體劣化、力學(xué)特性的降低、支護(hù)費(fèi)用增大[5 -8]。保證小煤柱開采安全高效生產(chǎn)的必要條件是掌握小煤柱在工作面開采過程中的受力特征、變形特征、失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性控制原理，并掌握煤柱和順槽穩(wěn)定性的關(guān)系，可以據(jù)此制定科學(xué)合理的煤柱留設(shè)尺寸以及保證巷道穩(wěn)定性的控制方法[9 -12]。

基于此，以高河煤礦綜放長壁E2311工作面順槽煤柱穩(wěn)定性特征為研究對象，分析采用不同寬度小煤柱時相鄰巷道的垂直應(yīng)力、水平位移以及塑性區(qū)變化情況，確定E2311工作面小煤柱最佳留設(shè)寬度，以提出維護(hù)煤柱穩(wěn)定的技術(shù)方案。

1 工程概況

高河能源煤礦E2311工作面所采煤層為3號煤層，煤層埋深372.0～425.2 m，賦存于二疊系山西組地層中，為陸相湖泊型沉積。該工作面上方為耕地，北面為1號村，東面為晉能長治熱電有限公司，東南角為5號村，處于向斜的東翼，東高西低，煤層厚度穩(wěn)定，煤厚6.19～6.85 m，平均6.5 m。全煤間夾有一層碳質(zhì)泥巖夾矸，厚度0.05 m～0.25 m，平均0.20 m。煤層圍巖及其特征情況見表1。

2 數(shù)值模擬

2.1 小煤柱留設(shè)方案

小煤柱留設(shè)尺寸的大小影響煤炭資源的回采率以及相鄰巷道的穩(wěn)定性。所以，選取最佳留設(shè)寬度的煤柱，才能帶來最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。在參考眾多學(xué)者的研究成果及結(jié)合現(xiàn)場成功經(jīng)驗(yàn)后，在進(jìn)行小煤柱留設(shè)寬度數(shù)值模擬研究時，本文主要針對寬度為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、10 m以及15 m的方案。

表1 煤層圍巖及其特征情況

2.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)E2311工作面現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件，采用FLAC3D有限差分軟件建立三維計算模型，研究不同方案對相鄰巷道圍巖的影響情況。建立的計算模型50 m×50 m×50 m(長×寬×高)，由于平均煤層傾角為3°，故不考慮煤層傾角。模型的左右前后4個側(cè)面為單約束邊界，僅施加水平方向的約束，即邊界水平位移為零，只允許邊界結(jié)點(diǎn)沿垂直方向運(yùn)動；模型底部為全約束邊界。按照400 m的埋深，原巖自重應(yīng)力作用在上部邊界上。整體模型示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬整體模型Fig.1 Overall model of numerical simulation

2.3 數(shù)值模擬分析

圖2為不同方案條件下小煤柱寬度對相鄰巷道的垂直應(yīng)力分布云圖。由圖2可知，當(dāng)留設(shè)寬度為3 m、4 m方案時，相鄰巷道圍巖的應(yīng)力集中程度很大，垂直應(yīng)力值變化很大，相鄰巷道不穩(wěn)定；采用留設(shè)寬度為5 m、6 m、7 m及8 m的方案時，相鄰巷道圍巖應(yīng)力程度減小，且垂直應(yīng)力變化相對穩(wěn)定，變化幅度很小，有利于相鄰巷道的穩(wěn)定；采用留設(shè)寬度為10 m及15 m的方案時，相鄰巷道圍巖的應(yīng)力集中程度和垂直應(yīng)力值隨寬度的增加進(jìn)一步加大，說明留設(shè)10 m、15 m的煤柱正處于側(cè)向支承應(yīng)力集中區(qū)和超前支承壓力較大區(qū)的范圍內(nèi)，不利于相鄰巷道的穩(wěn)定。當(dāng)工作面留設(shè)不同寬度的煤柱時，應(yīng)力值的變化是先增大，然后降低，趨于穩(wěn)定再繼續(xù)增大，說明留設(shè)不同寬度的煤柱所具備的承載力是有一定范圍的，超出這個范圍，煤柱破壞的同時也會極大程度上降低其承載力，圍巖周邊應(yīng)力會重新分布變化。因此，煤柱寬度對應(yīng)力分布影響較大。煤柱較小時(3 m和4 m)應(yīng)力分布近似呈三角形，煤柱稍大時近似呈梯形分布。煤柱寬度對最大應(yīng)力影響不大。在煤柱兩側(cè)，均出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)，分別是受到回風(fēng)順槽掘進(jìn)和上區(qū)段工作面回采的影響；三角形分布是兩側(cè)垂直應(yīng)力峰值疊加的結(jié)果，梯形分布中部應(yīng)力較低，是因?yàn)槭艿降牟蓜雍途蜻M(jìn)影響較小的結(jié)果。

圖2 不同方案條件下相鄰巷道的垂直應(yīng)力分布云圖Fig.2 Cloud map of vertical stress distribution of adjacent roadways under different scheme conditions

圖3為不同方案條件下小煤柱寬度對相鄰巷道的水平位移分布云圖。由圖3可以看出，從3 m方案到15 m方案的變化過程中，水平位移呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，當(dāng)小煤柱寬度為3 m、4 m時，煤柱中部位移急劇變化并且數(shù)值很大，煤柱穩(wěn)定性很差；當(dāng)小煤柱寬度為5 m、6 m、7 m及8 m時，煤柱中部位移比較穩(wěn)定，數(shù)值較小；當(dāng)煤柱為10 m、15 m時，煤柱中部位移又顯著變大，不利于相鄰巷道的穩(wěn)定。因此，煤柱向巷道內(nèi)的位移隨煤柱寬度的增加而增大，達(dá)到一定程度后再由大變小，然后趨于穩(wěn)定。煤柱表面向巷道內(nèi)的水平位移特征：未見煤柱整體向采空區(qū)移動；4 m煤柱向巷道內(nèi)的位移量最大，3 m煤柱向巷道內(nèi)的位移量最小，其它寬度煤柱位移量差別不大。3 m煤柱中部位移急劇變化，沒有穩(wěn)定部分，煤柱達(dá)到4 m中部位移較小且穩(wěn)定，隨煤柱寬度的增加，穩(wěn)定的區(qū)域也在增加。

圖3 不同方案條件下相鄰巷道的水平位移分布云圖Fig.3 Cloud map of horizontal displacement distribution of adjacent roadways under different schemes conditions

圖4為不同方案條件下小煤柱寬度對相鄰巷道的塑性區(qū)變化情況分布圖。由圖4可知，當(dāng)采用3 m、4 m方案時，煤柱自身以及相鄰巷道均產(chǎn)生大范圍的塑性破壞區(qū)域，并且塑性破壞區(qū)大部分以及相互貫通，巷道有垮塌危險；當(dāng)采用5～10 m方案時，煤柱及相鄰巷道塑性區(qū)范圍減小，仍處于塑性破壞狀態(tài)，但此時巷道周邊的最大位移主要集中在頂板內(nèi)，同時工作面實(shí)體側(cè)煤層會快速承擔(dān)相鄰巷道所受的應(yīng)力峰值，故煤柱不會被完全壓垮；當(dāng)采用15 m方案時，煤柱內(nèi)存在5 m的彈性核尺寸，但彈性核尺寸較小，不利于相鄰巷道的穩(wěn)定，另一方面煤柱內(nèi)存在的較大應(yīng)力峰值不能發(fā)生轉(zhuǎn)移至工作面實(shí)體側(cè)的煤層，會加大煤柱和相鄰巷道的穩(wěn)定性控制難度。

圖4 不同方案條件下小煤柱寬度對相鄰巷道的塑性區(qū)變化情況分布圖Fig.4 Distribution of small coal pillar width change on plastic zone of adjacent roadway under different schemes conditions

由上述垂直應(yīng)力場、水平位移場、塑性區(qū)變化情況以及經(jīng)濟(jì)角度綜合考慮，煤柱過于窄小，雖可有效提高煤炭資源回收率，但鄰近工作面回采時煤柱兩側(cè)塑性破壞會發(fā)生貫通，導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)變形，所以合理的煤柱寬度是確定沿空巷道位置的關(guān)鍵，既要最大化煤炭采出率又要保證巷道圍巖穩(wěn)定性。因此，采用留設(shè)寬度為5～7 m的小煤柱方案時，才能在保證相鄰巷道及煤柱自身穩(wěn)定的同時最大化地提高礦井生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 工程實(shí)踐

3.1 相鄰巷道最終支護(hù)方案

為了確保相鄰巷道的穩(wěn)定性，相鄰巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式，巷道斷面尺寸及支護(hù)形式如圖5所示。高強(qiáng)錨索采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱直徑22 mm，錨索長度均為8.3 m，極限破斷力不低于55 t，預(yù)緊力26 t；采用弧形高強(qiáng)錨索托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，承載能力不低于55 t，每根錨索采用3支錨固劑，1支規(guī)格為CK2335，2支規(guī)格為Z2360；左旋無縱肋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿型號φ22-M24-2400 mm，極限拉斷力239 kN，錨桿托板為弧形高強(qiáng)度托盤，規(guī)格為170 mm×170 mm×12 mm，力學(xué)性能與錨桿桿體一致，錨桿采用端頭樹脂錨固，每根錨桿采用2支錨固劑，一支規(guī)格為CK2335，另一支規(guī)格為Z2360，錨桿抗拔力不小于19 t，擰緊力矩不小于350 N·m；金屬網(wǎng)由10號鉛絲加工制作，網(wǎng)孔為30 mm×30 mm；鋼筋梯子梁采用直徑14 mm圓鋼加工而成，長度及限位孔間距根據(jù)錨桿布置參數(shù)加工；W短鋼帶型號為BHW-280-2.75，長度為300 mm，每根錨桿一個鋼帶；工作面各順槽每隔50 m全斷面設(shè)置一道雙抗網(wǎng)，圖中未標(biāo)注的抹角半徑統(tǒng)一為斜切角3 m。

圖5 相鄰巷道斷面支護(hù)Fig.5 Section support of adjacent roadways

3.2 礦壓監(jiān)測分析

為驗(yàn)證留設(shè)5～7 m寬度小煤柱的合理性，工程實(shí)踐選擇在高河煤礦E2311工作面留設(shè)6 m寬煤柱，并在相鄰巷道中設(shè)立礦壓觀測站，監(jiān)測相鄰巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ七M(jìn)量。相鄰巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ七M(jìn)量，如圖6所示。

圖6 10月份相鄰巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ七M(jìn)量Fig.6 Relative movement of roof，floor and both sides of adjacent roadways in october

相鄰巷道測站在100 m范圍之外每天以微小的變形量變化，變形量為0～5 mm；隨著工作面向測站推進(jìn)，在進(jìn)入距離工作面100 m(3 d)內(nèi)，圍巖變形速度出現(xiàn)顯著變化，兩幫變形速度為5～12 mm/d，頂?shù)装遄冃嗡俣葹?～10 mm/d。局部區(qū)段日移近量較大，分析認(rèn)為屬于周期來壓造成；整個觀測期間兩幫累計變形量173 mm，頂?shù)装謇塾嬜冃瘟?60 mm，頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平浚瑖鷰r變形整體處于可控狀態(tài)，變形量隨著工作面距離測站的距離減小而增大。距離工作面50 m范圍內(nèi)的頂板有一定量的下沉，下沉量比較小，50 m以外的頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，留設(shè)6 m寬的小煤柱能夠滿足相鄰巷道安全生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

(1)煤柱寬度對應(yīng)力分布影響較大。煤柱較小時(3 m和4 m)應(yīng)力分布近似呈三角形，煤柱稍大后近似呈梯形；三角形分布是兩側(cè)垂直應(yīng)力峰值疊加的結(jié)果，梯形分布中部應(yīng)力較低，是因?yàn)槭艿降牟蓜雍途蜻M(jìn)影響較小的結(jié)果。

(2)通過分析不同煤柱寬度時塑性區(qū)分布、應(yīng)力分布及巷道的圍巖變形規(guī)律確定合理小煤柱寬度范圍為5～7 m。

(3)通過工程試驗(yàn)得到，整個觀測期間兩幫累計變形量173 mm，頂?shù)装謇塾嬜冃瘟?60 mm，相鄰巷道的圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，小煤柱較為完整，仍存在較高的承載力，進(jìn)一步證明高河煤礦E2311工作面留設(shè)6 m寬度的小煤柱是可行的，能對圍巖變形起到有效控制，確保礦井安全高效的生產(chǎn)，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。