基于能量耗散留設(shè)窄煤柱合理尺寸研究

何 凱

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102)

在我國(guó)淺部煤炭資源逐漸枯竭，礦井轉(zhuǎn)入深部開采的背景下，沿空掘巷作為一種綠色開采技術(shù)，經(jīng)多年發(fā)展已經(jīng)普遍應(yīng)用于我國(guó)眾多深部礦井開采。沿空掘巷不僅能夠有效提高煤炭采出率，而且能夠緩解沿空巷道應(yīng)力集中的現(xiàn)象，保障采煤工作面的安全正?；夭蒣1-2]。沿空掘巷可以分為完全無(wú)煤柱沿空掘巷和留窄煤柱沿空掘巷，其中留窄煤柱沿空掘巷應(yīng)用較為廣泛[3]，然而當(dāng)前眾多研究中，針對(duì)窄煤柱留設(shè)的模擬研究方法一般采用塑性區(qū)、位移等因素進(jìn)行分析確定，對(duì)基于能量研究的方法卻很缺乏，而且能量是導(dǎo)致煤柱發(fā)生破壞的本質(zhì)原因。因此本文基于某礦2101W工作面的實(shí)際條件，利用能量法進(jìn)行窄煤柱留設(shè)尺寸的確定，為礦井煤柱設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程背景

某礦2101W工作面埋深635.5 m，煤層平均厚度3.0 m，煤層傾角16～20°，平均18°，工作面采用全部垮落法綜合機(jī)械化采煤法，2101W工作面相鄰區(qū)段工作面已采畢，如圖1所示，原先礦井相關(guān)工作面布設(shè)25 m煤柱，但回采巷道依舊變形嚴(yán)重，而且也降低了煤炭采出率。2101W工作面采用沿空掘巷技術(shù)，沿空巷道為回風(fēng)巷，巷道斷面如圖2所示，同時(shí)為了更好進(jìn)行沿空巷道布置，2101W工作面采用鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行側(cè)向支承應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，峰值在臨空煤體約13.2 m處。

2 沿空掘巷窄煤柱理論尺寸確定

依據(jù)沿空掘巷定義(此處均指留設(shè)窄煤柱沿空掘巷)，沿空巷道通常被布置在臨近破碎區(qū)的沿臨空煤體塑性區(qū)內(nèi)，因此基于文獻(xiàn)[4]，由于煤體破碎區(qū)邊界處煤體所受應(yīng)力等于原巖應(yīng)力，邊界處的應(yīng)力集中系數(shù)為1，有下列公式：

圖1 2101W工作面巷道布置

圖2 巷道斷面示意(mm)

(1)

式中：m為采高，取m=3.0 m；α為煤層傾角，取α=15°；A為側(cè)壓系數(shù)，取A=0.5；γ為上覆巖層平均體積力，取γ=0.27 MN/m3；H為巷道埋深，取H=532.5 m；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，取φ0=32°；C0為煤體內(nèi)聚力，取C0=3.0 MPa；Px為上區(qū)段工作面巷道煤幫的支護(hù)阻力，取Px=0.4 MPa。

為保證煤柱安全穩(wěn)定，方便打設(shè)錨桿(索)，通常設(shè)計(jì)一定的安全尺寸，即如圖3所示，圖中X1為(1)式x0所表示的破碎區(qū)寬度，X2為支護(hù)構(gòu)件長(zhǎng)度，一般為錨桿長(zhǎng)度，此處取2.4 m，X3為煤柱安全尺寸，該尺寸與X1和X2存在關(guān)系，即X3=(X1+X2) (15%～30%)。

圖3 沿空掘巷窄煤柱寬度

則有：

B=X1+X2+X3

(2)

基于前述數(shù)據(jù)可計(jì)算理論條件下煤柱尺寸范圍B=6.29～7.11 m。下一步將通過(guò)不同煤柱能量釋放量對(duì)煤柱尺寸進(jìn)行綜合判定。

3 沿空掘巷窄煤柱留設(shè)數(shù)值模擬

3.1 模型參數(shù)

基于理論計(jì)算的煤柱尺寸范圍，設(shè)計(jì)煤柱尺寸方案：6 m，7 m，8 m，9 m，同時(shí)建立如圖4所示的FLAC3D模型，模型前后左右方向邊界水平固定，底部邊界垂直固定，模型尺寸為400 m×400 m×310 m，并在模型頂部施加垂直應(yīng)力σzz=16.3 MPa，模擬模型頂部至地表的原巖應(yīng)力，其中模型中各巖層參數(shù)如表1所示。

表1 模擬所需各巖層參數(shù)

圖4 數(shù)值模型

3.2 窄煤柱能量耗散分布

巷道煤體能量逐漸耗散將導(dǎo)致煤體發(fā)生破壞，基于熱力學(xué)第一定律[5]，如式(3)所示，當(dāng)外界對(duì)煤體做功時(shí)，即U，煤柱將產(chǎn)生發(fā)生形變，在形變過(guò)程中伴隨著能量釋放，其中Ue表示煤體內(nèi)部可釋放彈性能逐漸釋放的過(guò)程，當(dāng)可釋放彈性能超過(guò)煤體表面可抵抗破壞的最大表面能時(shí)，煤體將發(fā)生破壞，而未耗散的能量將儲(chǔ)存在煤體內(nèi)部，即Ud，因此當(dāng)煤體可釋放應(yīng)變能越大時(shí)，表示煤體越不穩(wěn)定，即煤柱越容易發(fā)生破壞。

Ud=U-Ue

(3)

基于該準(zhǔn)則，利用FLAC3D設(shè)計(jì)程序?qū)ι鲜鏊姆N煤柱方案進(jìn)行模擬，提取數(shù)據(jù)制成如圖5所示的不同方案下的煤柱可釋放彈性能分布云圖，圖6為四種煤柱方案可釋放彈性能最大值分布圖。

由圖5可知，從整體觀察，可釋放彈性能范圍和高度隨著煤柱寬度的增加而增大，其中煤柱6～7 m變化不大，但煤柱在7～9 m時(shí)變化明顯，說(shuō)明煤柱6 m到7 m時(shí)，煤柱內(nèi)部整體比較穩(wěn)定，這是由于煤柱大部分已為破碎區(qū)，能量釋放已趨近平穩(wěn)，而煤柱增大后，煤柱破碎區(qū)范圍占據(jù)逐漸減小，而且隨著煤柱尺寸的增加，沿空巷道逐漸遠(yuǎn)離低應(yīng)力區(qū)，造成煤柱受側(cè)向支承應(yīng)力峰值影響強(qiáng)烈，基于工程背景，側(cè)向應(yīng)力峰值位置為13.2 m，巷道寬度4.5 m，則煤柱為8 m時(shí)，沿空巷道已臨近側(cè)向支承應(yīng)力峰值，即煤柱受側(cè)向支承應(yīng)力峰值的影響增強(qiáng)，當(dāng)煤柱為9 m時(shí)，沿空巷道正處于側(cè)向應(yīng)力峰值下，煤柱也因此受到更加強(qiáng)烈的峰值應(yīng)力影響。

由圖6可知，煤柱為6 m時(shí)可釋放彈性能432 kJ，7 m煤柱時(shí)可釋放彈性能451 kJ，相應(yīng)8 m煤柱為536 kJ，9 m煤柱為622 kJ，即7m相對(duì)于6 m煤柱，能量增長(zhǎng)幅度為4.40%，而8 m相對(duì)于7 m煤柱和能量增幅18.85%，9 m相對(duì)于8 m增幅16.04%，即當(dāng)煤柱超過(guò)7 m后，能量釋放增幅均為兩位數(shù)，結(jié)合圖5分析，確定在煤柱為8 m和9 m時(shí)，煤柱的整體穩(wěn)定性開始下降，同時(shí)6 m煤柱雖然能量釋放值比7 m煤柱小，但是基于煤柱理論范圍，以及煤柱承載能力等方面考慮，7 m效果較6 m煤柱更合適。

圖5 不同寬度煤柱可釋放應(yīng)變能分布云圖

圖6 不同煤柱方案可釋放彈性能最大值分布

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 基于煤柱留設(shè)理論計(jì)算，確定合理窄煤柱留設(shè)寬度范圍B=6.29～7.11 m；

2) 利用FLAC3D進(jìn)行不同煤柱方案的可釋放彈性能分析，通過(guò)綜合考慮煤柱整體穩(wěn)定性及承載能力等因素，確定7 m煤柱為最優(yōu)尺寸。