隆德煤礦區(qū)段煤柱合理寬度的確定

李來源

(神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719300)

1 工程概況

華電隆德煤礦201工作面位于2-2煤層輔運(yùn)大巷西側(cè)，南部為203工作面采空區(qū)，北部及切眼靠近井田邊界，地面相對位置為工業(yè)廣場西北部，風(fēng)井廣場北部，工作面中心位置距工業(yè)廣場4.4km，距風(fēng)井廣場2.6km；工作面標(biāo)高1001.8～1033.1m，地面標(biāo)高1197.2～1236.1m，平均埋深在200m左右。

2-2煤層傾角小，為近水平煤層；201工作面采用綜合機(jī)械化采煤法，平均采高3.55m，工作面長300m，可采長度3694.5m。

表1為工作面頂?shù)装鍘r層分布情況，頂板管理方法為全部垮落法。

表1 201工作面頂?shù)装鍘r層分布情況

2 模擬方案

為確定合理煤柱尺寸，采用FLAC3D[1-2]對煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行模擬分析，結(jié)合隆德煤礦201工作面的實(shí)際情況，依據(jù)區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度不同，確定模擬方案如下：

方案1：煤柱的留設(shè)寬度為20.0m。

方案2：煤柱的留設(shè)寬度為17.5m。

方案3：煤柱的留設(shè)寬度為15.0m。

方案4：煤柱的留設(shè)寬度為12.5m。

方案5：煤柱的留設(shè)寬度為10.0m。

模擬選用的本構(gòu)關(guān)系為Mohr-Coulomb model，模型的左、右邊界為單邊約束，即水平位移為零，垂直位移不為零，底部邊界為全約束，即水平位移和垂直位移均為零，上部為應(yīng)力邊界，近似為均布載荷，其大小按q=∑ρgh進(jìn)行近似估算[3-4]；模擬選用的煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 折減后的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 煤柱塑性破壞分析

圖1給出了不同模擬方案下煤柱塑性區(qū)的分布變化。煤柱塑性破壞范圍變化見圖2。

結(jié)合圖2可知，隨著煤柱尺寸的減小，煤柱工作面?zhèn)鹊钠茐纳疃纫来螢?.0m，3.12m，4.28m，4.36m和5.0m，煤柱輔運(yùn)巷側(cè)的破壞深度依次為2.0m，2.08m，2.14m，2.18m和4.0m，煤柱工作面?zhèn)鹊钠茐纳疃让黠@大于輔運(yùn)巷側(cè)，累計(jì)破壞深度依次為5.0m，5.2m，6.42m，6.54m和9.0m，彈性區(qū)域分別為15.0m，12.3m，8.58m，5.46m和1.0m，破壞比率分別為25%，29.71%，42.8%，52.32%和90%。因此，從煤柱塑性破壞范圍來看，煤柱寬度大于15.0m時(shí)，塑性破壞比率小，留設(shè)尺寸偏大；若煤柱寬度為10m，累計(jì)破壞深度高達(dá)9.0m，塑性破壞比率高，穩(wěn)定性差，存在安全隱患。

圖1 不同模擬方案下煤柱塑性破壞分布

圖2 煤柱塑性破壞范圍變化

3.2 煤柱應(yīng)力場分析

圖3給出了不同模擬方案下煤柱垂直應(yīng)力場的分布變化。

圖3 不同模擬方案下煤柱垂直應(yīng)力場分布

模擬結(jié)果顯示，隨著煤柱尺寸的減小，垂直應(yīng)力峰值向煤柱深處轉(zhuǎn)移。煤柱寬度大于15.0m時(shí)，在煤柱輔運(yùn)巷側(cè)出現(xiàn)小范圍的輕微應(yīng)力集中現(xiàn)象，即垂直應(yīng)力呈雙峰值變化，這表明煤柱留設(shè)尺寸偏大(應(yīng)力峰值間存在有大量的彈性區(qū)域)；煤柱寬度為15.0m時(shí)，垂直應(yīng)力雙峰值不復(fù)存在，僅在工作面?zhèn)瘸霈F(xiàn)峰值；煤柱寬度為12.5m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值開始向輔運(yùn)巷側(cè)偏移，但高應(yīng)力區(qū)域仍分布在工作面?zhèn)?；煤柱寬度?0.0m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值急速向輔運(yùn)巷側(cè)偏移，煤柱內(nèi)的彈性區(qū)域減小。

結(jié)合圖4可知，隨著煤柱尺寸的減小，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值依次為16.0MPa，16.73MPa，16.84MPa，16.34MPa和15.82MPa，其規(guī)律為先增大后減小，該變化趨勢表明，煤柱寬度大于15.0m時(shí)，承載能力有盈余，留設(shè)尺寸偏大；若煤柱寬度為10.0m，垂直應(yīng)力明顯減小，表明煤柱的塑性破壞增加，承載能力降低。

圖4 煤柱應(yīng)力峰值變化

圖5給出了不同模擬方案下煤柱水平應(yīng)力場的分布變化。模擬結(jié)果顯示，隨著煤柱尺寸的減小，煤柱水平應(yīng)力集中范圍明顯減小。煤柱寬度為20.0m時(shí)，在煤柱左肩角及左側(cè)深入煤體6～8m范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力峰值在7.96MPa左右，高應(yīng)力區(qū)主要分布在煤柱工作面?zhèn)?；煤柱寬度?7.5m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域主要出現(xiàn)在煤柱左肩角處，峰值大小為8.47MPa，高應(yīng)力區(qū)分布在煤柱左半側(cè)，未延展到輔運(yùn)巷側(cè)；煤柱寬度為15.0m時(shí)，水平應(yīng)力的分布形態(tài)與之前相差不大，應(yīng)力集中區(qū)域主要出現(xiàn)在煤柱左肩角處，峰值大小為8.61MPa；煤柱寬度為12.5m時(shí)，煤柱工作面?zhèn)瘸霈F(xiàn)小范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，峰值大小為7.53MPa；煤柱寬度為10.0m時(shí)，高應(yīng)力區(qū)域分布在煤柱中央，并延展至煤柱兩底角處，應(yīng)力峰值大小為6.21MPa，較之前明顯減小，表明煤柱破壞增加，承載能力降低。

因此，從煤柱水平應(yīng)力分布和大小可以看出，煤柱尺寸大于15.0m時(shí)，煤柱承載能力有盈余，存在資源浪費(fèi)現(xiàn)象；若煤柱尺寸為10.0m，塑性破壞增加，承載能力明顯降低，穩(wěn)定性差，存在安全隱患。

3.3 巷道圍巖變形分析

圖6為滯后回采工作面30m時(shí)，不同模擬方案下輔運(yùn)巷圍巖變形情況。

圖5 不同模擬方案下煤柱水平應(yīng)力場分布

圖6 輔運(yùn)巷圍巖變形

模擬結(jié)果顯示，隨著煤柱尺寸的減小，輔運(yùn)巷兩幫變形增加，左幫向巷內(nèi)偏移量依次為24.9mm，25.4mm，27.7mm，32.8mm，40.1mm，右?guī)拖蛳飪?nèi)偏移量分別為30.1mm，31.8mm，33.0mm，36.7mm，41.3mm，右?guī)妥冃蚊黠@比左幫變形大，兩幫累計(jì)變形量依次為55.0mm，57.2mm，60.7mm，69.5mm，81.4mm。從兩幫累計(jì)變形增加幅度中可以看出，煤柱寬度大于10.0m時(shí)，變形增加幅度小，不超過8.8mm；煤柱寬度為10.0m時(shí)，變形增幅變大，為11.9mm，煤柱穩(wěn)定性變差。

隨著煤柱尺寸的減小，頂?shù)装遄冃卧黾?，其中巷道頂板下沉量較大，依次為51.2mm，58.3mm，67.5mm，78.9mm，109.8mm，巷道底鼓量較小，分別為13.8mm，15.2mm，16.1mm，17.2mm，18.4mm，頂?shù)装逑鄬σ平糠謩e為65.0mm，73.5mm，83.6mm，96.1mm，128.2mm。從頂?shù)装逑鄬ψ冃卧黾臃戎锌梢钥闯?，煤柱寬度?等)于12.5m時(shí)，變形增加幅度小，不超過12.5mm；煤柱寬度為10.0m時(shí)，變形增幅變大，為32.1mm，煤柱穩(wěn)定性變差。

4 小 結(jié)

(1)煤柱塑性破壞范圍表明，若煤柱寬度大于15.0m，煤柱塑性破壞比率小，留設(shè)尺寸偏大；若煤柱寬度為10.0m，累計(jì)破壞深度高達(dá)9.0m，塑性破壞比率高，穩(wěn)定性差，存在安全隱患；因此，從塑性破壞范圍來看，建議煤柱尺寸不宜小于12.5m。

(2)煤柱應(yīng)力分布變化和大小表明，若煤柱尺寸大于15.0m，承載能力有盈余，留設(shè)尺寸偏大；若煤柱尺寸為10.0m，塑性破壞增加，承載能力降低，穩(wěn)定性差。因此，從應(yīng)力分布變化和大小來看，建議煤柱尺寸不宜小于12.5m。

(3)巷道圍巖表面位移變形表明，煤柱尺寸大(等)于12.5m時(shí)，圍巖變形增加幅度不大；若煤柱尺寸為10.0m，圍巖變形幅度明顯增加，穩(wěn)定性變差。因此，從巷道圍巖位移變形來看，建議煤柱尺寸不宜小于12.5m。

(4)綜合各方面考慮，隆德煤礦區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度不宜小于12.5m，在12.5～15.0m范圍從安全維護(hù)和資源回收方面均是合理的。