房柱式殘煤二次開采煤柱穩(wěn)定性研究

孟學超

（陽泉煤業(yè)集團沙鋼礦業(yè)投資有限公司，山西 臨汾 043500）

0 引 言

房柱式開采作為一種常見的采煤方法，由于其開采工藝相對簡單，故在中小型煤礦應用較為廣泛，但同時也帶來的卻是大量煤炭資源的浪費。為了提高煤炭資源的回收利用率，需要對護巷煤柱進行二次開采。本文主要針對平舒煤礦房柱式開采煤層的二次開采進行研究，通過判斷舊采煤區(qū)煤柱群的穩(wěn)定性，作為復合殘采區(qū)煤柱群穩(wěn)定性的判定依據(jù)。

利用有限差分的方法對舊采煤區(qū)煤柱群的穩(wěn)定性進行分析研究，這將為復合殘采區(qū)煤柱群穩(wěn)定性的判定提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。大大節(jié)約了實驗成本和時間[1-2]。

1 煤柱穩(wěn)定性有限元分析

有限差分軟件FLAC是一種采用混合-離散分區(qū)技術，同時使用拉格朗日顯示解方案對巖土結構受力和塑性流動進行非線性分析的軟件。

1.1 材料特性的確定和網(wǎng)格劃分

殘采層的煤層高度為5.8m，沿底板開采高度為4.6m。其中，殘采空區(qū)采用采6m，留7m的采煤方法，兩巷外側預留30～60m的護巷煤柱。當對上述范圍的中間30m煤柱進行開采時，采用采6 m，留6 m的采煤方法。

可開采煤層的地質(zhì)分布整體較為穩(wěn)定：其底板標高為1030～1060m，煤層厚度基本保持在5.87m左右。該處煤層含一層夾矸，該層夾矸的主要成分由泥巖組成，厚度基本在0.55～0.77m范圍分布[3]。

由于殘采區(qū)的地質(zhì)構造較為特殊，其巖體種類呈多樣性，這樣對有限元分析帶來較大的困難，需要根據(jù)殘采區(qū)的地質(zhì)結構的勘測數(shù)據(jù)對巖體進行合理的歸類，提高有限元分析的效率。因此，對礦區(qū)的巖體材料特性簡化為見表1。

表1 材料力學參數(shù)

圖1 有限元網(wǎng)格劃分

為了提高計算速度，本文取實際尺寸的一半對稱進行三維建模，然后對其進行有限元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖1所示，本次共劃分420000個單元和506337個節(jié)點。

1.2 有限元邊界條件設置和載荷施加

在進行煤炭開采時，巖體本身除受到工程影響的作用力外，其自身還要受到地應力的作用。地應力作用主要包括兩個方面，巖體自身的自重和地質(zhì)構造過程中巖體受到的構造應力。其中自重應力主要是由巖石受到的巖層的比重、泊松比和埋深等確定的。而構造應力由于其成形的時間和空間的特性，增加了其計算的難度，通過對該處采煤去地質(zhì)資料的查詢發(fā)現(xiàn)，構造應力對巖層的影響相對較小，因此可以忽略不計。

1.3 有限元結果分析

煤礦房柱式開采過程中巖體受力狀態(tài)是否穩(wěn)定，主要由圍巖和煤柱的應力場、位移場和塑性流動區(qū)等決定[4-5]。

本文主要對煤層舊采區(qū)房柱式開采進行數(shù)值分析。由于舊采區(qū)采場開采已經(jīng)過較長時間，其采煤柱和圍巖的應力已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此對舊煤區(qū)開采模擬采用一體式開挖，有限元分析結果如下。

圖2 最大主應力σmax圖

圖2 表示原采空區(qū)煤柱群的應力分布圖，從圖中可以看出，采空區(qū)煤柱群的應力分布規(guī)律為，煤柱中部區(qū)域為壓應力，四周區(qū)域為拉應力。應力值以中部區(qū)域最大，四周區(qū)域緩慢減小。應力最大值為5.8MPa。根據(jù)煤柱群的應力分布狀態(tài)以及應力值的大小分布，可以看出煤柱群的四周極容易出現(xiàn)拉伸破壞。

圖3 豎向應力圖

圖4 豎向位移圖

圖3 、圖4表示原采空區(qū)煤柱群的豎向應力和位移，從圖中可以看出，采空區(qū)的中部煤柱受到的豎直應力最大且其豎直位移也最大。由于煤柱中部主要受到上覆巖層的壓應力，因此其主要豎直應力也表現(xiàn)為壓應力。煤柱的周圍邊角區(qū)域受到在應力較小，由于采場地質(zhì)條件的限制，導致該區(qū)域遠端一側出現(xiàn)較小的正向位移。

通過對采空區(qū)煤柱的最大主應力，豎向應力和豎向位移的分析可以看出采場區(qū)中部煤柱群受到應力值較大且位移破壞較為嚴重，因此該區(qū)域是影響整個采場穩(wěn)定性的關鍵部位。

為了更加準確的監(jiān)測到影響開采穩(wěn)定性的區(qū)域，對采空區(qū)設置了多條監(jiān)測路線，主要布置在煤柱圍巖活動受到應力較為集中且變形較大的地方。監(jiān)測線路平行于兩巷，離底板高度為2.3m，長度范圍在30-370m之間。通過對有限元數(shù)據(jù)的分析，得出最合理監(jiān)測路徑的分析結果如下圖所示：

圖5 沉降曲線

從圖5可以看出殘煤開采后中部煤柱的應力場較為集中，其最大值為20.8MPa，比四周煤柱的應力值大55.7%；殘煤開采后導致采煤場煤柱出現(xiàn)沉降，沉降位移分布呈四周高，中間低的趨勢，其中中部煤柱群的下沉量為四周下沉量的2.2倍。

2 結 語

利用有限差分軟件FLAC對采空區(qū)巖體和煤柱受到煤炭開采影響的應力和位移進行有限元分析得知：①原采空區(qū)煤柱群應力分布規(guī)律為，煤柱中部區(qū)域為壓應力，四周區(qū)域為拉應力。應力值以中部區(qū)域最大，四周區(qū)域緩慢減小。根據(jù)煤柱群的應力分布狀態(tài)以及應力值的大小分布，可以看出煤柱群的四周極容易出現(xiàn)拉伸破壞；②豎向應力和位移為煤柱破壞的關鍵因素，通過合理的監(jiān)測路徑的布置，為后續(xù)采煤煤柱群應力場的穩(wěn)定性分析提供幫助。