區(qū)段煤柱寬度對(duì)采煤工作面沖擊危險(xiǎn)性的影響研究

孫紅俊

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)，山西 孝義 032300)

0 引言

采煤工作面區(qū)段煤柱的大小，一直是研究采煤工作面支護(hù)經(jīng)常探討的課題。文中對(duì)5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m 6種煤柱寬度進(jìn)行模擬，通過觀測(cè)煤柱的側(cè)向支承壓力分布規(guī)律和剩余彈性應(yīng)變能分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在煤柱寬度增加過程中，煤柱中應(yīng)力峰值由小變大，然后再變小，其支承壓力分布曲線由“拱形”向“馬鞍形”過渡。

1 工程概況

1304工作面位于-650 m水平，開采面積約159 824 m2，標(biāo)高-536～-660 m，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高380 m，傾斜長度平均184 m，走向方向推進(jìn)長度870.5 m。回采3#煤層，煤層傾角18°～21°，平均傾角為19°，煤厚平均7.5 m，屬穩(wěn)定性厚煤層，采用放頂煤開采工藝。煤層普氏硬度f=2～3，屬于中硬煤層。煤層直接頂粉砂巖，厚1～5.76 m，灰～深灰色，夾灰～淺灰色細(xì)砂巖薄條帶。基本頂為淺灰色中細(xì)砂巖，夾黑色炭質(zhì)包體，有時(shí)見泥巖或粉砂巖包體，局部相變?yōu)榉凵皫r、細(xì)砂巖互層，水平互層層理。直接底為灰黑色泥巖或粉砂巖，多含植物根部化石。經(jīng)鑒定，3#煤層具有沖擊傾向性。

2 建立數(shù)值模型

2.1 建立模型

數(shù)值計(jì)算模型以1304孤島工作面地質(zhì)條件為背景，煤(巖)體采用彈塑性本構(gòu)模型，模型總共劃分為432 000個(gè)單元格，451 369個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。模型尺寸(長×寬×高)540 m×300 m×232 m，該模型采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，模型四周邊界條件x、y方向分別施加水平約束，頂部施加等效荷載q=γ·h(γ為上覆巖層平均容重，取25 kN/m3，h為模型埋深，取600 m)，可以得到等效荷載為14.7 MPa。

首先利用FLAC3D內(nèi)置的Null命令，模擬開采1303、1305兩個(gè)工作面，等效為1304工作面的采空區(qū)，同時(shí)考慮邊界效應(yīng)的影響，沿x軸方向邊界處留設(shè)50 m寬的煤柱，沿y軸方向邊界留設(shè)30 m寬的煤柱，運(yùn)輸平巷和回風(fēng)平巷側(cè)各留5 m寬護(hù)巷煤柱。

圖1 模型幾何結(jié)構(gòu)圖

2.2 選取煤(巖)體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)煤巖體的巖石力學(xué)特性，在支承壓力和局部集中應(yīng)力的疊加作用下，當(dāng)煤(巖)體所承受的荷載大于其極限強(qiáng)度后，煤(巖)體將產(chǎn)生不同形式的破壞。通常情況下，煤(巖)體在發(fā)生塑性變形破壞后往往會(huì)保留一定的殘余強(qiáng)度。煤巖體發(fā)生沖擊地壓所產(chǎn)生的破壞是沿著煤巖體弱面或軟層滑動(dòng)失穩(wěn)的結(jié)果。巖石強(qiáng)度的屈服準(zhǔn)則是判別某一點(diǎn)的應(yīng)力是否進(jìn)入塑性狀態(tài)的判別準(zhǔn)則，其中巖石摩爾-庫倫模型的屈服準(zhǔn)則為：

(1)

式中：σ1—最大主應(yīng)力，MPa；σ3—最小主應(yīng)力，MPa；C—內(nèi)聚力，MPa；φ—內(nèi)摩擦角，(°)。

當(dāng)fs>0時(shí)，煤(巖)體發(fā)生剪切破壞；當(dāng)ft<0時(shí)，煤(巖)體發(fā)生拉應(yīng)力破壞。

2.3 數(shù)值模擬方案

參照1304工作面煤巖層地質(zhì)條件，其它條件不變，通過模擬研究煤柱寬度為5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m時(shí)，煤柱側(cè)向支承壓力以及煤柱內(nèi)剩余彈性應(yīng)變能分布規(guī)律，揭示孤島工作面煤柱失穩(wěn)破壞變形規(guī)律，探討采動(dòng)對(duì)孤島工作面沖擊危險(xiǎn)程度的影響。

3 不同煤柱寬度側(cè)向支承壓力分布規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)留設(shè)的運(yùn)輸平巷側(cè)5.2 m煤柱與回風(fēng)平巷側(cè)4.2 m煤柱作為參考數(shù)值，在煤厚一定時(shí)(7.5 m)，本次模擬取煤柱寬度分別為5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m 6種工況，研究煤柱側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，從而揭示孤島工作面發(fā)生煤柱型沖擊失穩(wěn)的演化規(guī)律。采用Tecplot后處理軟件處理FLAC3D模擬結(jié)果，得到不同煤柱寬度影響下側(cè)向支承壓力分布。通過借助FLAC3D內(nèi)置的數(shù)據(jù)后處理功能，導(dǎo)出不同煤柱寬度的側(cè)向支承壓力值，得到不同煤柱寬度的側(cè)向支承壓力分布曲線如圖2所示。

圖2 不同煤柱寬度側(cè)向支承壓力分布曲線

當(dāng)煤柱寬度<16 m時(shí)：即煤柱寬度為5 m、8 m、10 m時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力峰值為24.1 MPa、29.5 MPa、35.1 MPa，隨著煤柱寬度的增加，煤柱中側(cè)向支承壓力逐漸增大，煤柱中沖擊危險(xiǎn)程度也相應(yīng)的增大。

當(dāng)煤柱寬度為10 m時(shí)：煤柱中應(yīng)力集中達(dá)到最大，易發(fā)生沖擊危險(xiǎn)，進(jìn)而誘發(fā)煤柱型沖擊地壓，因此開采過程中不能留設(shè)10 m寬度的煤柱。

當(dāng)煤柱寬度>10 m時(shí)：即煤柱寬度為16 m、24 m、30 m時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力峰值為32.8 MPa、30.8 MPa、30 MPa，即隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)支承壓力呈現(xiàn)先增加后降低后增加的趨勢(shì)。

當(dāng)煤柱寬度>16 m時(shí)：雖然煤柱中支承應(yīng)力逐漸減小，但是隨著煤柱寬度的增大，又會(huì)引起巷道附近的應(yīng)力集中程度增加，因此考慮到企業(yè)為提高煤炭采出率，減少事故率，從而達(dá)到安全、高產(chǎn)、高效的目的，建議采用小煤柱護(hù)巷的方法，最終選擇留設(shè)5 m寬的煤柱作為護(hù)巷煤柱。

4 不同煤柱寬度剩余彈性應(yīng)變能分布規(guī)律

根據(jù)趙陽升提出的最小能量理論可知，無論巖體在幾維應(yīng)力狀態(tài)下破壞所需要的能量總是等于一維應(yīng)力狀態(tài)下破壞(即單軸壓縮與剪切破壞)所消耗的能量。當(dāng)煤體-圍巖力學(xué)系統(tǒng)失穩(wěn)所釋放的能量大于其消耗的能量時(shí)即發(fā)生沖擊地壓，煤體中儲(chǔ)存的彈性能與煤體破壞所需最小能量之差即為剩余彈性應(yīng)變能。若煤巖體中剩余彈性能大于零，則有可能發(fā)生沖擊地壓，煤體中剩余彈性能越大，其發(fā)生沖擊危險(xiǎn)的可能性就越大。因此煤體破壞過程中剩余彈性能起到很大作用，研究煤體中剩余彈性能對(duì)預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生起到了重要作用。

在煤厚一定時(shí)(7.5 m)，煤柱寬度為5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m 6種工況下，根據(jù)煤柱側(cè)向彈性應(yīng)變能分布規(guī)律，從而揭示煤柱沖擊失穩(wěn)性大小，研究了沿著傾斜方向不同煤柱寬度的剩余彈性應(yīng)變能分布曲線。研究認(rèn)為，隨著煤柱寬度的增加，煤柱中積聚的彈性能也逐漸增大，從而工作面發(fā)生沖擊地壓的可能性也就增大，煤柱寬度為10 m時(shí)，沖擊危險(xiǎn)程度達(dá)到最大。隨著煤柱寬度的增加，煤柱中剩余彈性能逐漸地減少，相對(duì)10 m時(shí)的煤柱其沖擊危險(xiǎn)程度大大降低。圖3為不同煤柱寬度剩余彈性應(yīng)變能密度分布曲線。

圖3 不同煤柱寬度剩余彈性應(yīng)變能密度分布曲線

當(dāng)煤柱寬度<16 m時(shí)：即煤柱寬度為5 m、8 m、10 m時(shí)對(duì)應(yīng)的剩余彈性應(yīng)變能峰值分別為24.1 kJ/m3、29.5 kJ/m3、35.1 kJ/m3，隨著煤柱寬度的增加，煤柱中剩余彈性應(yīng)變能峰值逐漸增大。

剩余彈性能密度峰值為18.1 kJ/m3，此時(shí)煤柱中彈性應(yīng)變能密度峰值小于煤(巖)破壞消耗的能量密度值，此時(shí)煤柱處于安全狀態(tài)，不易發(fā)生沖擊失穩(wěn)。

5 結(jié)語

當(dāng)煤柱寬度<10 m時(shí)，隨著煤柱寬度的增加，其側(cè)向支承壓力峰值逐漸增大，當(dāng)煤柱寬度>10 m時(shí)，煤柱中側(cè)向支承壓力峰值又逐漸降低?？傮w看來，在煤柱寬度增加過程中，煤柱中應(yīng)力峰值由小變大，然后再變小，其支承壓力分布曲線由“拱形”向“馬鞍形”過渡。對(duì)比不同煤柱寬度發(fā)現(xiàn)當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱所受側(cè)向支承壓力以及煤柱中的剩余彈性應(yīng)變能均較小，發(fā)生沖擊危險(xiǎn)的可能性較小，采區(qū)回采率高。