解放層下工作面開采邊界煤柱優(yōu)化

周海勇 張經(jīng)龍 孔 朋

(1.汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

解放層下工作面開采邊界煤柱優(yōu)化

周海勇1張經(jīng)龍1孔 朋2

(1.汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

針對某礦一采區(qū)煤層解放層下工作面在相鄰采空區(qū)條件下開采的問題，采用UDEC數(shù)值模擬軟件對下分層工作面內(nèi)錯、外錯或平齊上分層煤層煤柱一定水平距離時巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟窟M(jìn)行研究，優(yōu)化下分層煤層邊界煤柱，使下分層工作面巷道受上方煤柱影響程度達(dá)到最小。研究表明，當(dāng)下分層工作面開采邊界煤柱內(nèi)錯上分層10～30 m(即開采工作面煤柱寬85～105 m)時，工作面巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟枯^大，巷道變形嚴(yán)重，在該地質(zhì)條件下，工作面開采邊界煤柱寬度以10～30 m為宜。

解放層 邊界煤柱 UDEC 煤柱優(yōu)化

開采解放層可以改變頂板運(yùn)動規(guī)律，避免頂板產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊載荷。當(dāng)有相鄰兩煤層或者分層開采時，在開采上煤層時頂板巖層會產(chǎn)生斷裂，并釋放大量的沖擊能量，但這時下位的煤層得到解放[1-2]。開采解放層可改變煤體的應(yīng)力狀態(tài)，上煤層(上分層)的開采使下煤層(下分層)經(jīng)歷了一次卸載運(yùn)動，減少了煤體存儲的能量，但由于上煤層(上分層)開采邊界的不規(guī)則、局部可采、受斷層影響等因素使得上煤層開采時會留下或多或少的煤柱，而煤柱受兩側(cè)或一側(cè)采空區(qū)的影響而產(chǎn)生壓力疊加，形成較高的煤柱支承壓力，大煤柱的應(yīng)力集中系數(shù)能達(dá)到3～4，小煤柱的應(yīng)力集中系數(shù)能達(dá)到4～6，使下煤層(下分層)應(yīng)力急劇增加，沖擊地壓危險(xiǎn)性大大增加，影響工作面安全生產(chǎn)[3-5]。因此，本文針對某礦一采區(qū)煤層解放層(上分層)下工作面開采問題，采用UDEC數(shù)值模擬軟件分析研究，優(yōu)化下分層煤層邊界煤柱，減小上方煤柱對下分層工作面巷道的影響程度，保證工作面安全開采。

1 工程概況

某礦一采區(qū)主要賦存煤層為3上、3下煤，均屬結(jié)構(gòu)簡單、厚度穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，其中3上煤厚5.64～7.14 m，平均為6.29 m， 3下煤厚2.58～3.47 m，平均為3.18 m，兩分層煤層層間距為7.49～15.42 m，平均為11.13 m?，F(xiàn)階段，該采區(qū)3上分層工作面及相鄰采區(qū)均已開采完畢，在兩采區(qū)之間留設(shè)75 m邊界保護(hù)煤柱，易在煤柱下方形成較高的應(yīng)力集中，此時 3下分層工作面開采處于3上分層工作面采空區(qū)下，屬解放層下開采，但當(dāng)3下煤層巷道掘進(jìn)及回采時，易受3上分層保護(hù)煤柱的影響，因此，需對3下煤層邊界煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行優(yōu)化。

2 數(shù)值軟件選取

UDEC是基于拉格朗日算法的一個處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序，用于模擬非連續(xù)介質(zhì)承受靜載或動載作用下的響應(yīng)，可以很好地模擬塊體系統(tǒng)的變形和大位移。故采用UDEC數(shù)值模擬軟件對煤柱下應(yīng)力場進(jìn)行分析。

3 計(jì)算模型

根據(jù)問題的特點(diǎn)，從整體來看大范圍區(qū)域內(nèi)屬彈性巖體，局部范圍屬塑性屈服破壞，因此，可按彈塑性模型處理，選擇摩爾-庫倫模型。以該采區(qū)3下煤層工作面為對象，研究3上煤層75 m邊界煤柱對其開采的影響，確定3下煤層邊界煤柱。為此，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料及研究區(qū)域鉆孔資料，建立800 m×111.2 m(長×高)的數(shù)值模型。計(jì)算模型邊界條件：①模型左右前后邊界施加水平約束，即邊界水平位移量為零;②模型底部邊界固定，即底部邊界水平、垂直位移量均為零;③模型頂部為自由邊界,對頂部施加9 MPa覆巖應(yīng)力。

該采區(qū)3下煤層處于3上煤層采空區(qū)和邊界煤柱下，3上煤層煤柱寬75 m，3下煤層邊界煤柱使得工作面巷道內(nèi)錯、平齊或外錯上方煤柱，上方煤柱直接影響巷道的安全性。3下煤層邊界煤柱留設(shè)前，工作面開挖情況見圖1。煤層及其頂部底板物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 3下煤層開采前工作面開挖狀態(tài)

巖性密度/(kg/m3)體積模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa中砂巖27007.873.383.26282.19礫巖26906.873.33.16282.19黏土23602.171.001.3381.15細(xì)砂巖27007.873.383.26282.19粉砂巖27508.824.843.30302.473煤13502.351.471.10201.5

4 模擬結(jié)果及分析

3下煤層邊界煤柱分別取35，45，55，65，75，85，95，105 m，即3下煤層工作面內(nèi)錯3上煤層煤柱水平距離40，30，20，10，0，-10，-20，-30和-40 m時，分析巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟?，部分不同煤柱寬度條件下頂?shù)装寮皟蓭妥冃吻闆r見圖2、圖3。

圖2 巷道頂?shù)装遄兓茍D

圖3 巷道兩幫變化云圖

從圖2(a)和圖3(a)可知，當(dāng)3下煤層煤柱寬度為95 m，即下分層工作面內(nèi)錯上分層3上邊界煤柱20 m，工作面巷道受上分層3上邊界煤柱影響相對較小，巷道頂?shù)装寮白笥規(guī)臀灰屏枯^小，最大變形量分別為0.13，0.05，0.11和0.07 m。

從圖2(b)和圖3(b)可知，當(dāng)3下煤層煤柱寬度為75 m，即下分層工作面平齊上分層3上煤層工作面，工作面巷道受上分層3上邊界煤柱影響增大，巷道圍巖變形增大，巷道頂?shù)装寮白笥規(guī)妥畲笞冃瘟糠謩e為0.87，0.26，0.52和0.47 m。

圖2(c)和圖3(c)可知，當(dāng)3下煤層煤柱寬度為55 m，即下分層工作面外錯上分層3上邊界煤柱20 m，工作面巷道在3上邊界煤柱下易形成應(yīng)力集中，受上分層3上邊界煤柱影響再次增大，巷道圍巖變形范圍增大，巷道頂?shù)装寮白笥規(guī)妥畲笞冃瘟糠謩e為1.13，0.43，0.72和0.58 m。

從圖2(d)和圖3(d)可知，當(dāng)3下煤層煤柱寬度為35 m，即下分層工作面外錯上分層3上邊界煤柱40 m，工作面巷道在上分層3上邊界煤柱集中應(yīng)力作用下，巷道圍巖變形量增大，巷道變形嚴(yán)重，巷道頂?shù)装寮白笥規(guī)臀灰屏亢艽?，最大變形量分別為1.28，0.56，0.85和1.07 m。

3下煤層留設(shè)不同寬度煤柱時，掘進(jìn)巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰票O(jiān)測變化曲線見圖4。

圖4 巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟孔兓€

從圖4可知，隨3下煤層煤柱寬度的增大，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟烤手饾u減小的趨勢。當(dāng)3下煤柱寬85 m，即開采工作面內(nèi)錯3上分層采空區(qū)10 m，頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟垦杆贉p小，降低幅度較大；當(dāng)煤柱寬105 m，即工作面內(nèi)錯3上分層采空區(qū)30 m，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟客瑫r達(dá)到最小值，此時巷道受煤柱影響最?。划?dāng)3下煤柱寬度大于105 m時，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟坑形⑿≡龃蟮内厔荩黾臃容^小，最終將達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上分析，從巷道變形量及煤層采出率考慮，3下煤層邊界煤柱應(yīng)留設(shè)85～105 m，即3下煤層工作面巷道開挖應(yīng)內(nèi)錯3上煤層煤柱10～30 m為宜。

5 結(jié) 語

采用UDEC模擬分析3下煤層工作面煤柱不同寬度時巷道頂?shù)装寮白笥規(guī)妥畲笞冃瘟?，根?jù)巷道圍巖變形嚴(yán)重情況，應(yīng)加強(qiáng)巷道支護(hù)。從巷道圍巖變形量及煤層采出率的角度分析確定，3下煤層工作面開采邊界煤柱寬度取10～30 m為宜。明確解放層下工作面開采保護(hù)煤柱留設(shè)寬度，使下煤層(下分層)工作面開采處于上煤層(上分層)工作面采空區(qū)下，巷道處于卸壓區(qū)，圍巖變形量小，有利于工作面安全生產(chǎn)。

[1] 張志勇.深部解放層開采巷道支護(hù)技術(shù)研究[J].科技信息,2011(27):427-428.

[2] 舒湊先,朱權(quán)潔,魏全德,等.上解放層開采對綜放工作面回采巷道穩(wěn)定性的影響分析[J].煤礦安全,2014,45(1):192-195.

[3] 呂長國,竇林名,徐長厚,等.上解放層開采解放作用機(jī)理數(shù)值模擬研究[J].煤礦開采,2011,16(2):12-15.

[4] 李 淵,易恩兵.解放層開采卸壓效果數(shù)值分析[J].煤礦安全,2013,44(12):150-153.

[5] 吳向前,竇林名,呂長國,等.上解放層開采對下煤層卸壓作用研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(3):28-31.

2016-10-10)

周海勇(1989—)，男，助理工程師，272511 山東省濟(jì)寧市汶上縣義橋鄉(xiāng)駐地。