長壁工作面順槽煤柱合理留設尺寸的確定

郝瑞清

(山西省陽泉市國土資源局，山西 陽泉 045000)

長壁工作面順槽煤柱合理留設尺寸的確定

郝瑞清

(山西省陽泉市國土資源局，山西 陽泉 045000)

順槽煤柱的穩(wěn)定性是決定回采巷道穩(wěn)定的關鍵，是保證相鄰兩工作面順利回采的隔離體。順槽煤柱的尺寸留設是影響煤柱穩(wěn)定的決定性因素。本文采用理論分析和數(shù)值模擬方法，分析長壁工作面順槽煤柱合理留設寬度，以保證煤柱的穩(wěn)定性。研究結果表明:間隔煤柱在工作面回采之前，承受上覆巖層均布載荷，能夠保持自穩(wěn)狀態(tài);工作面回采后，間隔煤柱受到開采的擾動和關鍵塊體回轉(zhuǎn)的影響，形成側向支承壓力，使煤柱邊緣出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，依次出現(xiàn)壓裂松動區(qū)、塑性破壞區(qū)、彈性核區(qū)。煤柱穩(wěn)定的基本條件是其內(nèi)部存有一定寬度的彈性核，同時也是煤柱合理留設的判定依據(jù)。

長壁工作面;順槽煤柱;煤柱寬度;數(shù)值計算

我國的煤炭生產(chǎn)大多為井工開采，地下開采工程活動破壞了原巖應力平衡狀態(tài)，圍巖應力重新分布［1－3］。隨著工作面的推進，巷道圍巖應力重新分布，往往使得巷道遭到嚴重破壞，為了維持巷道穩(wěn)定，大多采用留設順槽煤柱的方法。隨著開采深度的不斷增加，留設的間隔煤柱承受上覆巖層的載荷也在隨之增加，為了維護煤柱穩(wěn)定性，煤柱的留設寬度越來越大，用此方法來維護巷道對煤炭資源造成極大的浪費，一般占全礦井煤炭損失總量的40%左右［4］，特別是長壁開采。雖然長壁開采技術不斷提高，但采出率仍只有60%左右，甚至更低，煤柱留設寬度大是造成煤炭的資源巨大損失的原因。因此，在保證煤柱穩(wěn)定的情況下，留設合理煤柱寬度來提高資源回收率具有極其重要的意義。

1 順槽支承壓力分布特征

當間隔煤柱兩側煤體均采出后，間隔煤柱上的支承壓力分布情況由回采擾動造成煤柱側向支承壓力的影響距離L與煤柱寬度B所決定，分別對以下情況進行分析:

1)當B＞2L時，煤柱中部載荷分布均勻，且其值為天然應力γH。順槽煤柱受上覆巖層載荷的作用，出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，應力峰值達到了KγH(其中K為應力集中系數(shù)且大于1)，從順槽煤柱邊緣依次為壓裂松散區(qū)、塑性破壞區(qū)、彈性區(qū)、原巖應力區(qū)。分布情況見圖1。

圖1 兩側采空后煤柱支承壓力分布情況

2)當2L＞B＞L時，間隔煤柱中央出現(xiàn)應力疊加現(xiàn)象，應力大于γH，應力峰值達到了KγH(其中K為應力集中系數(shù)且大于1)，沿煤柱的應力分布形式為“馬鞍形”，彈塑性區(qū)及應力分布情況見圖2。

由圖1，圖2可知，從煤柱外部邊緣到內(nèi)部，依次會出現(xiàn)破裂區(qū)Ⅰ、塑性區(qū)Ⅱ及彈性區(qū)Ⅲ，此時的彈性區(qū)為原巖應力區(qū)，煤柱能夠保持穩(wěn)定。

圖2 兩側采空后煤柱支承壓力分布情況

2 數(shù)值計算模型

根據(jù)長平煤礦4203工作面順槽的實際情況，并依據(jù)大型數(shù)值計算的建模原則，建立的模型模擬范圍的長、寬、高分別為180 m、300 m和140 m，共劃分112 500個單元和566 711個節(jié)點，并且網(wǎng)格劃分為1 m一個網(wǎng)格，以便于觀測所留煤柱的塑性區(qū)及垂直應力狀況等(見圖3)。

圖3 模型三維立體圖

對模型側面施加水平約束，底板施加水平和垂直兩個方向的約束。并使他們在位移上不發(fā)生變化，在模型頂部施加載荷P=12.5 MPa。巖層厚度及力學參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值計算巖層分布和物理力學參數(shù)表

按15 m、20 m、30 m、40 m寬度煤柱進行模擬，考察不同寬度煤柱的塑性區(qū)分布、垂直應力分布，根據(jù)結果確定煤柱的合理寬度［5，6］。

3 結果分析

通過對上述寬度煤柱進行模擬計算，分別分析各個尺寸煤柱的塑性區(qū)分布圖、最大主應力圖。見圖4、圖5。

3.1 塑性區(qū)分布特征

1)由圖4清楚地顯示，煤柱尺寸較小時，比如15 m和20 m，15 m煤柱的彈性核寬度為0 m，20 m彈性核寬度約為4 m，塑性區(qū)相互貫通，彈性核寬度很小，甚至完全消失。由此可知，煤柱基本垮塌，完全處于失穩(wěn)狀態(tài)。

2)當煤柱達到30 m時，比起20 m煤柱的彈性核區(qū)的范圍增大很多，大小約為16 m，滿足彈性核的寬度應不小于煤柱高度的2倍的條件，因此，與20 m煤柱相比30 m煤柱能夠更好地保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3)當煤柱寬度為40 m時，塑性區(qū)寬度基本保持不變，彈性核寬度在不斷增加，但是增加的幅度在有所下降。

3.2 最大主應力分布特征

1)從圖5中可以看出，受到二次采動影響后，15 m和20 m煤柱中心應力集中程度非常大，煤柱處于塑性狀態(tài)，處于完全失穩(wěn)狀態(tài)。

2)從30 m煤柱垂直應力分布圖中觀察到，與20 m煤柱相比，雖然煤柱尺寸增加了，但煤柱內(nèi)垂直應力集中的程度并沒有減小，并且逐漸出現(xiàn)了兩個應力集中區(qū)，可是彈性核區(qū)的寬度增加了許多，故煤柱更能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)當煤柱尺寸為40 m時，煤柱明顯出現(xiàn)的兩個垂直應力集中區(qū)，與此同時，煤柱內(nèi)也出現(xiàn)較大寬度的彈性核區(qū)，彈性核區(qū)內(nèi)垂直應力基本處于原巖應力狀態(tài)，故煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。

為了從整體上分析煤柱穩(wěn)定性與所留設尺寸的關系，根據(jù)模擬結果做擬合曲線見圖6。

a)煤柱的核區(qū)率隨著煤柱尺寸的增加而增加。煤柱的塑性區(qū)率隨著煤柱尺寸的增加而減少。

b)煤柱尺寸大于30 m時，核區(qū)率逐漸達到50%并繼續(xù)增長，但是隨著煤柱寬度的繼續(xù)增大，核區(qū)率增大速率減慢。

c)當煤柱寬度為20～30 m時，曲線的斜率變得陡峭，說明此時塑性區(qū)的變化大。而在30～40 m時，兩個曲線斜率變得平緩，這是由于塑性區(qū)變化不大的原因。故確定護巷煤柱的尺寸為30 m。

圖6 煤柱尺寸與核區(qū)率、塑性區(qū)率的關系

4 結論

本文通過利用大型數(shù)值計算軟件分析長壁工作面順槽煤柱塑性區(qū)分布和最大主應力，探討了煤柱合理留設寬度，得到以下結論:

1)通過運用數(shù)值模擬分析方法，分別對4203工作面順煤柱20 m、30 m、40 m的情況進行綜合研究，確定出合理區(qū)段煤柱尺寸留設范圍為30 m。

2)通過理論分析研究，得到長壁工作面順槽煤柱側向支承壓力的分布規(guī)律，并對現(xiàn)有煤柱穩(wěn)定性進行判定，同時根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結果，為數(shù)值模擬提供可靠的技術參數(shù)。

3)通過對不同尺寸條件下的煤柱進行模擬，分別從塑性區(qū)分布、最大主應力分布、塑性區(qū)率和核區(qū)率進行分析，從而確定出煤柱尺寸留設的寬度，使煤柱尺寸留設更具合理性。

［1］ 李效甫.煤柱寬度對回采巷道圍巖穩(wěn)定性的影響［J］.煤炭科學技術，1982，11(1):8－10.

［2］ 陳龍.留小煤柱沿空掘巷支護技術研究［D］.邯鄲:河北工程大學，2010.

［3］ 胡炳南.條帶開采中煤柱穩(wěn)定性分析［J］.煤炭學報，1995，20(2):205－210.

［4］ 陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1994:5.

［5］ Mark C.Comparison of Ground Conditions and Ground Control Practices in the United States and Australia［C］.Proceedings of the 17th International Conference on Ground Control in Mining，Morgantown，West Virginia，1998.

［6］ Gerrard，C.Rock bolting in theory［C］.Proceedings of the International Symposium on Rock Bolting，1984:3 －32.

The Determination of Reasonable Dimension of Coal Pillar of Gateway in Long－wall Mining Face

Hao Rui－qing

The stability of gateway coal pillar is the key to determine extraction roadway stability，is isolation body to guarantee smooth extraction in adjacent two mining faces.The size of the gateway coal pillar is the decisive factor of influence coal pillar stability.Based on the theoretical analysis and numerical simulation method，this paper analyzes the reasonable width of the gateway coal pillar in long－wall mining face，in order to ensure the stability of coal pillar.The study results show that before mining interval coal pillar in the face，bear on uniform load of the overlying strata，can maintain the steady state.After mining in the face，the interval coal pillar is affected by mining disturbance and key blocks rotary，forms the lateral abutment pressure，makes the pillar edge appear stress concentration phenomenon，appeared in order fracturing loose area，the plastic damage area and elastic nuclear area.The basic condition of coal pillar stability is its internal has a certain width elastic nuclear，at the same time is also criterion of setting up reasonable coal pillar.

Long－wall mining face;Coal pillar of gateway;Width of coal pillar;Numerical simulation

TD823.4

A

1672－0652(2012)10－0020－03

2012－07－28

郝瑞清(1972—)，男，山西盂縣人，1996年畢業(yè)于山西礦業(yè)學院，工程師，主要從事煤礦管理工作(E －mail)shaoqingniu@qq.com