基于可釋放彈性能的窄煤柱合理寬度研究

郭曉東，崔文龍

(山西朔州平魯區(qū)蘭花永勝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036800)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭開(kāi)采逐漸向深部延伸。在深部煤層開(kāi)采中，留設(shè)厚煤柱不僅造成了資源浪費(fèi)，而且導(dǎo)致煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中，引發(fā)一系列的次生災(zāi)害。因此，采用了沿空掘巷留設(shè)窄煤柱技術(shù)。在沿空掘巷技術(shù)中，留設(shè)合理的窄煤柱尺寸是技術(shù)的關(guān)鍵，相關(guān)研究多集中于煤柱應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及數(shù)值模擬塑性破壞等，缺乏對(duì)煤柱可釋放彈性能的研究，而能量釋放過(guò)程是造成巷道圍巖及煤柱變形破壞的主要原因[1-2].

1 工作面概況

山西某礦1327工作面埋深525.5 m，煤層平均傾角0°～3°，近水平煤層，煤均厚2.6 m，巷道直接頂為2.2 m的炭質(zhì)泥巖，基本頂為5.6 m粉砂巖。在上區(qū)段工作面采掘結(jié)束頂板穩(wěn)定后，下區(qū)段巷道開(kāi)始布置。其中，在回風(fēng)巷掘巷期間，布設(shè)25 m煤柱，但巷道圍巖變形嚴(yán)重，對(duì)巷道掘進(jìn)工作產(chǎn)生了較大的影響。

2 沿空掘巷窄煤柱尺寸理論計(jì)算

2.1 窄煤柱破碎區(qū)寬度計(jì)算

由于沿空巷道沿破碎區(qū)布置，基于極限平衡理論，在破碎區(qū)和塑性區(qū)交界處，應(yīng)力集中系數(shù)為1，則窄煤柱破碎區(qū)寬度公式[3]：

(1)

式中：

x0—窄煤柱破碎區(qū)寬度，m;

m—工作面采高，m，取2.6；

A—側(cè)壓系數(shù)，取0.5；

γ—上覆巖層平均體積力，MN/m3，取0.27；

H—巷道埋深，m，取525.5；

φ0—煤體內(nèi)摩擦角，(°)，取32；

C0—煤體內(nèi)聚力，MPa，取3.0；

Px—上區(qū)段工作面巷道煤幫的支護(hù)阻力，MPa，取0.4.

基于下區(qū)段工作面實(shí)際地質(zhì)條件，計(jì)算得，x0=3.92 m.

2.2 窄煤柱理論寬度計(jì)算

基于彈性力學(xué)和極限平衡理論，設(shè)計(jì)煤柱寬度B范圍，見(jiàn)圖1.

因此，最小煤柱寬度為：

B=X1+X2+X3

(2)

式中：

B—最小煤柱寬度，m；

X1—煤柱臨采空區(qū)側(cè)形成的破裂區(qū)寬度，即式(1)中x0，m；

X2—錨桿有效長(zhǎng)度，m；

X3—考慮煤柱厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，m，按(X1+X2)(10%～20%)計(jì)算。

圖1 最小護(hù)巷煤柱寬度示意圖

結(jié)合前述地質(zhì)參數(shù)，取X2=2.0 m，代入式(2)可得：X3=0. 89～1.78 m，B=6.81～7.70 m.

3 圍巖應(yīng)變能理論分析

能量耗散程度決定圍巖的破壞強(qiáng)度，在能量耗散過(guò)程中，圍巖可釋放彈性能逐漸增大，當(dāng)增大至圍巖表面所能承受最大破壞強(qiáng)度時(shí)，巷道圍巖及煤柱發(fā)生破壞[4]. 結(jié)合熱力學(xué)第一定律：

Ud=U-Ue

(3)

式中：

Ud—單位體積煤巖體耗散能，kJ；

U—外力功所產(chǎn)生的總輸入能量，kJ；

Ue—單位體積煤巖體可釋放彈性應(yīng)變能，kJ.

為進(jìn)一步研究巖體耗散能變化情況，基于廣義胡克定律，在非線性加載過(guò)程中，巖體線性卸載過(guò)程中的可釋放彈性應(yīng)變能則有：

2μ(σ1σ2+σ2σ3+σ3σ1)]

(4)

式中：

σ1，σ2，σ3—3個(gè)主應(yīng)力，MPa；

E0—煤巖體的初始彈性模量；

μ—煤巖體的初始泊松比。

本文主要基于FLAC3D軟件進(jìn)行模擬，因此多個(gè)單元體的可釋放彈性能之和為：

(5)

然后基于FLAC3D內(nèi)置的FISH語(yǔ)言針對(duì)式(4)和式(5)進(jìn)行編程，并導(dǎo)入Surfer中處理，最后獲得不同煤柱方案可釋放應(yīng)變能的結(jié)果。

結(jié)合式(3)、(4)和(5)可知，當(dāng)可釋放彈性應(yīng)變能越大時(shí)，圍巖內(nèi)部破壞越劇烈，可釋放彈性應(yīng)變能越小時(shí)，圍巖內(nèi)部穩(wěn)定性也越好，因此可釋放彈性能釋放量的大小可以直接反映煤柱的穩(wěn)定性狀況，相較于煤柱位移、應(yīng)力等因素更具備說(shuō)服力。

4 沿空掘巷窄煤柱留設(shè)數(shù)值模擬

模擬確定6 m，7 m，8 m，9 m四種煤柱模擬方案，建立網(wǎng)格模型，見(jiàn)圖2. 模型尺寸為X200 m×Y200 m×Z155 m，模型底邊邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，模型頂部施加垂直應(yīng)力σzz=17.2 MPa，模擬模型頂部至地表巖層所施加的原巖應(yīng)力，各巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖2 數(shù)值模型圖

表1 FLAC3D模型巖層參數(shù)表

圖3 不同寬度煤柱可釋放應(yīng)變能分布云圖

在工作面推進(jìn)方向，即在Y=100 m處進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，獲得不同煤柱寬度可釋放彈性應(yīng)變Surfer云圖，見(jiàn)圖3.

由圖3可知，當(dāng)煤柱由6 m增加至9 m時(shí)，煤柱內(nèi)部可釋放應(yīng)變能逐漸增大，且峰值位置基本位于煤柱偏中部，表明煤柱內(nèi)部穩(wěn)定性逐漸下降。但需要注意的是，煤柱7 m時(shí)，煤柱內(nèi)可釋放彈性能峰值和煤柱整體可釋放彈性能平均值相較于6 m時(shí)，變化較小，其中可釋放彈性應(yīng)變能峰值相對(duì)于6 m煤柱增長(zhǎng)7.5%，與此同時(shí)，8 m煤柱相對(duì)于7 m增長(zhǎng)32.2%，9 m煤柱相對(duì)于8 m煤柱增長(zhǎng)25.4%.由此可知，當(dāng)煤柱大于7 m時(shí)，煤柱可釋放彈性能增加，尤其在煤柱中部，穩(wěn)定性逐漸變差，抗變形能力逐漸下降。因此可以認(rèn)為7 m煤柱是可釋放彈性能峰值的轉(zhuǎn)折拐點(diǎn)，小于7 m時(shí)，雖然可釋放彈性能較小，但是煤柱整體承載能力不足；當(dāng)大于7 m時(shí)，雖然煤柱整體承載能力較好，但是可釋放彈性能較大，煤柱內(nèi)部穩(wěn)定性下降?；谏鲜龇治?，確定合理煤柱尺寸煤柱為7 m.

5 結(jié) 論

針對(duì)山西某礦1327工作面巷道變形嚴(yán)重的問(wèn)題，基于可釋放彈性能對(duì)煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行理論和數(shù)值模擬分析，獲得如下結(jié)論：

1) 1327工作面煤柱理論寬度范圍B=6.81～7.70 m，為窄煤柱數(shù)值模擬提供了理論依據(jù)。

2) 基于可釋放彈性能數(shù)值模擬，確定煤柱為7 m時(shí)，煤柱可釋放彈性能較小，且煤柱穩(wěn)定性較好，因此最終確定留設(shè)煤柱尺寸為7 m.