綜采沿空掘巷煤柱合理寬度數(shù)值模擬研究

張兵奇，龐澤明，伊紅星

綜采沿空掘巷煤柱合理寬度數(shù)值模擬研究

張兵奇，龐澤明，伊紅星

(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

合理的煤柱寬度能夠保證工作面巷道的穩(wěn)定性，改善沿空掘巷維護(hù)狀況，降低由于礦山壓力造成的巷道變形，煤柱寬度的確定對(duì)于提高煤柱回收率、保障安全高效的生產(chǎn)起到積極作用。本文通過數(shù)值模擬研究分析，研究了綜采沿空掘巷煤柱的穩(wěn)定性以及合理的煤柱寬度，為確定合理的煤柱寬度提供了理論依據(jù)。

沿空掘巷;巷道穩(wěn)定;煤柱寬度;數(shù)值模擬

留設(shè)煤柱一直是煤礦傳統(tǒng)的護(hù)巷方法，在上區(qū)段運(yùn)輸平巷和下區(qū)段回風(fēng)平巷之間留設(shè)一定寬度的煤柱，使下區(qū)段平巷避開固定支承壓力峰值區(qū)［1］。在采煤工作面的布置規(guī)劃中，合理的煤柱寬度不僅能夠提高巷道的圍巖穩(wěn)定性，減少由于礦山壓力作用造成的巷道變形，而且還可以減少煤炭損失量、減少巷道維護(hù)的周期［2］。因此，保證合理的煤柱寬度是綜采沿空掘巷成功的關(guān)鍵技術(shù)之一［3］。

1 研究巷道地質(zhì)概況

太原東山王封煤業(yè)有限公司主要可采煤層為9#煤層，煤厚約3.3 m，煤層傾角8°～15°，埋深365 m，礦井布置綜采放頂煤工作面，機(jī)采全部跨落法管理頂板，一次采全高。9#煤層首采區(qū)工作面90101已基本采空，為了達(dá)到正常的接替計(jì)劃，目前正在準(zhǔn)備90102工作面，該區(qū)段回風(fēng)平巷擬采用沿著90101工作面采空區(qū)邊緣掘進(jìn)，工作面區(qū)段回風(fēng)平巷巷道斷面為矩形，巷道寬高為3.3 m×3 m，需要留設(shè)一定的保護(hù)煤柱，以避開高應(yīng)力集中區(qū)。

2 確定合理煤柱的數(shù)值模擬研究

為了更加明確地分析采用不同寬度的煤柱時(shí)，巷道圍巖周圍的應(yīng)力以及位移的變化，為治理由于礦山壓力作用造成的巷道變形，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D來模擬不同煤柱寬度時(shí)，巷道的變形情況。

根據(jù)太原東山王封煤業(yè)9#煤層的生產(chǎn)地質(zhì)條件，模擬綜采工作面沿空掘巷合理煤柱的穩(wěn)定性，模擬煤層厚度3.3 m，建立的模型X方向400 m，Y方向200 m，Z方向35 m。共有120 450個(gè)三維單元。模型建立過程中，固定模擬的底部和左右邊界，限制其移動(dòng)，在模型上部邊界施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量，見圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 掘巷期間煤柱的變形情況

3.1.1 掘巷期間煤柱的應(yīng)力分布情況

數(shù)值模擬期間，分別模擬煤柱寬度為3 m、4 m、5 m、6 m、8 m、10 m、15 m 時(shí)，煤柱寬度方向的應(yīng)力變化情況。用FLAC軟件截取煤柱高度一半的層位研究沿煤柱寬度方向上應(yīng)力分布的變化規(guī)律［4］。在煤柱寬度方向上用HISTORY跟蹤記錄30個(gè)記錄點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算整理，得到如圖2所示的曲線。圖2為掘巷期間，沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布圖。

圖2 掘巷期間沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布圖

由圖2可知：

1)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值受煤柱寬度的影響，垂直應(yīng)力峰值越大，煤柱的穩(wěn)定性就越差。

2)當(dāng)煤柱寬度為3 m時(shí)，煤柱的垂直應(yīng)力峰值為17.5 MPa;當(dāng)煤柱寬度為4～5 m范圍內(nèi)，可以看出，此時(shí)的垂直應(yīng)力峰值比3 m的煤柱要小;當(dāng)煤柱的寬度大于5 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值明顯有增長的趨勢;當(dāng)煤柱達(dá)到15 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值最大，應(yīng)力峰值達(dá)到24.8 MPa，此時(shí)對(duì)煤柱的穩(wěn)定性最為不利。

3.1.2 掘巷期間煤柱的位移變化情況

掘巷期間煤柱內(nèi)的水平位移分布曲線，見圖3。

圖3 掘巷期間沿煤柱內(nèi)水平位移分布曲線圖

由圖3可知：

1)煤柱向巷道內(nèi)的水平位移移近量有隨著煤柱寬度增大而增大的關(guān)系。當(dāng)煤柱寬度達(dá)到一定量時(shí)，有趨于穩(wěn)定的趨勢。

2)當(dāng)煤柱寬度為3 m時(shí)，煤柱向巷道內(nèi)的位移移動(dòng)不明顯，整體向采空區(qū)方向移動(dòng);當(dāng)煤柱寬度在4～5 m范圍內(nèi)，煤柱開始向巷道側(cè)移動(dòng)，整體最大移動(dòng)量為100 mm;當(dāng)煤柱寬度大于5 m時(shí)，煤柱向巷道內(nèi)的位移量趨勢明顯增加;6～10 m范圍內(nèi)，煤柱向巷道內(nèi)位移量急劇增加，最大移動(dòng)量達(dá)到368 mm;當(dāng)煤柱寬度為15 m時(shí)，煤柱向巷道內(nèi)的位移量不太明顯，逐步趨于穩(wěn)定。

3.2 回采期間煤柱的變形情況

3.2.1 回采期間煤柱的應(yīng)力分布情況

為了分析回采期間煤柱應(yīng)力的變化情況，取煤柱高度的一半的層位作為研究對(duì)象，采用HISTORY跟蹤記錄沿煤柱寬度方向上30個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力變化情況，經(jīng)過分析得出，回采期間沿煤柱寬度方向上垂直應(yīng)力分布規(guī)律，見圖4。

圖4 回采期間沿煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線圖

由圖4可知：

1)回采期間，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力隨著煤柱寬度的增大而增大。當(dāng)煤柱為3 m時(shí)，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力為21.5 MPa;當(dāng)煤柱為5 m時(shí)，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力為18.8 MPa;當(dāng)煤柱寬度大于5 m時(shí)，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力急劇增大，最大應(yīng)力達(dá)到35.8 MPa。

2)煤柱寬度為3～4 m時(shí)，煤柱的垂直應(yīng)力峰值開始增加;5 m時(shí)，煤柱的垂直應(yīng)力增加比較平緩，煤柱的承載能力較高;煤柱寬度大于5 m時(shí)，垂直應(yīng)力增加明顯，不利于煤柱的穩(wěn)定，煤柱的承載能力較差。煤柱的垂直應(yīng)力峰值越大，越不利于煤柱的穩(wěn)定。

3.2.2 回采期間煤柱的位移變化情況

回采期間煤柱的位移變化情況見圖5。

圖5 回采期間煤柱內(nèi)水平位移分布曲線圖

回采期間煤柱表面位移特征見圖6。

圖6 回采期間煤柱表面水平位移分布曲線圖

由圖5、圖6可知：

1)隨著煤柱寬度的增大，煤柱向巷道內(nèi)的位移量逐漸增大。當(dāng)煤柱寬度為3～4 m時(shí)，煤柱向巷道內(nèi)的位移量開始增大;煤柱寬度為5 m時(shí)，位移量變化比較平緩;當(dāng)煤柱寬度大于5 m時(shí)，位移量急劇增大。

2)掘巷期間煤柱寬度在3～4 m范圍內(nèi)，煤柱整體向巷道內(nèi)的移動(dòng)不明顯，整體向采空區(qū)移動(dòng)的趨勢較明顯，回采期間煤柱寬度在3～4 m范圍內(nèi)，煤柱整體向巷道內(nèi)的位移量與掘進(jìn)期間相比較明顯。這就說明了當(dāng)煤柱寬度在3～4 m范圍內(nèi)，煤柱由原來的向采空區(qū)移動(dòng)轉(zhuǎn)變成了向巷道內(nèi)移動(dòng)，說明煤柱的穩(wěn)定性差。

3)煤柱向巷道內(nèi)的位移移近量整體趨勢是煤柱寬度在3～4 m范圍內(nèi)，移近量開始增加;4～5 m范圍內(nèi)，移近量有所下降;煤柱寬度大于5 m時(shí)，移近量急劇增加。

4 結(jié)論

由數(shù)值模擬分析得出如下結(jié)論：

1)煤柱的寬度方向上的垂直應(yīng)力越大，越不利于煤柱的穩(wěn)定。

2)根據(jù)煤柱的垂直應(yīng)力和位移分布變化規(guī)律，得到太原東山王封煤業(yè)綜采沿空掘巷合理的煤柱寬度為5 m，當(dāng)煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱寬度方向上的垂直應(yīng)力和水平位移變化情況較平緩，巷道整體圍巖變形量相對(duì)小。

3)利用數(shù)值模擬的方法確定合理的煤柱寬度為5 m，為巷道的維護(hù)和回采巷道的合理布置提供了科學(xué)依據(jù)，提高了煤炭資源的采出率，保障了巷道的穩(wěn)定性［5，6］。為相似條件下的沿空掘巷合理的煤柱寬度的計(jì)算提供了技術(shù)指導(dǎo)和借鑒［7］。

［1］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003：92－95.

［2］ 柏建彪.沿空掘巷圍巖控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006：63－64.

［3］ 謝廣詳，楊 科，劉全明.綜放面傾向煤柱支承壓力分布規(guī)律研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(3)：545.

［4］ 明俊智.綜放沿空掘巷窄煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究［J］.煤炭技術(shù)，2010，29(12)：72－73.

［5］ 常聚才，謝廣詳，楊 科.綜放沿空巷道小煤柱合理寬度確定［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(2)：226－230.

［6］ 陳 科，柏建彪，朱 琪.沿空掘巷小煤柱破壞規(guī)律及合理寬度的確定［J］.煤礦安全，2009(8)：101－102.

［7］ 柏建彪，侯朝烔，黃漢富.沿空掘巷窄煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究［J］.巖石力與工程學(xué)報(bào)，2004，23(10)：3475－3479.

Numerical Simulation of the Reasonable Width of Coal Pillars at Fully Mechanized Working Face with Driving Roadway along Goaf

Zhang Bing－qi，Pang Ze－ming，Yi Hong－xing

The reasonable width of coal pillars provides the posibility of ensuring the stability of the roadway in the working face，betters the maintenance situation in the driving roadway along goaf，lessen the roadway deformation because of the mine pressure.The confirmation of the width of the coal pillars could be benefic to the recovery rate of coal pillars，plays an active part in ensuring high－productive and high－efficiency.According to the analysis and research of numerical simulation，the numerical simulation suggests the stability of the driving roadway along goaf as well as the reasonable width of the coal pillars.Theoretical basis is provided to determine the reasonable width of coal pillars.

Driving roadway along goaf;The stability of the roadway;The width of coal pillars;Numerical simulation

TD263

A

1672－0652(2011)11－0041－03

2011－10－28

張兵奇(1985—)，男，河南平頂山人，2010級(jí)河南理工大學(xué)碩士研究生，主要從事礦山壓力及巖層控制方面的研究(E －mail)zhangbingqi666@163.com