大埋深礦井區(qū)間煤柱合理寬度研究

寇成寶

(晉能控股集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000)

1 工程背景

井下開采煤炭資源時(shí)，相當(dāng)一部分資源損失在區(qū)段煤柱留設(shè)時(shí)，煤柱尺寸在部分礦井甚至達(dá)到100 m以上，造成了很多不必要的資源浪費(fèi)[1]。高浩等認(rèn)為采掘工程使地下空間原巖應(yīng)力變化，通過經(jīng)驗(yàn)公式求得合理留設(shè)煤柱寬度與煤柱內(nèi)應(yīng)力變化區(qū)域，再使用數(shù)值模擬手段論證煤柱留設(shè)合理性[2]。余學(xué)義通過對(duì)區(qū)段煤柱進(jìn)行的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，總結(jié)煤柱內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)煤柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化[3]。

現(xiàn)北辛窯礦嘗試小煤柱留設(shè)，由原來的85 m煤柱研究一個(gè)較為合理的煤柱尺寸。北辛窯礦平均埋深487 m，核定產(chǎn)能4.0 Mt/a，坐落于山西忻州市寧武縣，低瓦斯礦井，現(xiàn)主采5#煤層，5#煤區(qū)段煤柱85 m，即將開采的8104工作面與尚未掘巷的8105回風(fēng)順槽現(xiàn)進(jìn)行煤柱縮小工作，井田位置見圖1。

圖1 礦井位置圖

取8104工作面煤層及頂?shù)装逯迫r樣并進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

2 理論寬度求解

巷道采掘后，原巖應(yīng)力發(fā)生改變，區(qū)段煤柱應(yīng)力分布發(fā)生變化，會(huì)在煤柱內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)彈性核，彈性核區(qū)間內(nèi)應(yīng)力降低，煤體內(nèi)應(yīng)力分布如圖2所示[4]。

圖2 煤體內(nèi)應(yīng)力分布

如圖2所示，G(ε)[L(ε)]表示巷道開挖對(duì)左(右)側(cè)煤柱內(nèi)應(yīng)力的影響，其中，g1(ε)[l1(ε)]為對(duì)塑性區(qū)應(yīng)力的影響，g2(ε)[l2(ε)]為對(duì)彈性區(qū)應(yīng)力的影響。

巷道開挖后煤體內(nèi)應(yīng)力分布同工作面回采后煤體內(nèi)應(yīng)力分布相類似，其中左側(cè)煤體內(nèi)應(yīng)力分布見式(1)。

(1)

式中，k2為煤柱應(yīng)力增高系數(shù)；γ2為煤柱應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)；xg為調(diào)節(jié)參數(shù)；x2為塑性區(qū)范圍，m。t=(-ε+xg+B/2-x2)/xg。x2塑性區(qū)范圍如第101頁(yè)式(2)所示。

(2)

煤柱應(yīng)力分布見式(3)，區(qū)段煤柱應(yīng)力分布示意圖見圖3。

(3)

其中，o=(xg+ε-B/2-W-x2)/xg。

煤柱保持穩(wěn)定且可以有效隔絕瓦斯需滿足以下條件：彈性核大于煤高度2倍且彈性核區(qū)間存在[4-5]。

因此，4102工作面回風(fēng)側(cè)合理煤柱寬度見式(4)。

B>X0+2M+x1

(4)

式中，x0為煤柱左側(cè)塑性區(qū)寬度,計(jì)算見式(5)。

(5)

x1為煤柱右側(cè)塑性區(qū)寬度,計(jì)算見式(6)。

(6)

由于煤柱寬度不同，相應(yīng)的煤柱塑性區(qū)內(nèi)寬度也不同，代入?yún)?shù)求解式(4)～式(6)，得x0=12.79，x1=13.31，2m=7.86；則B=32.96。同時(shí)，考慮4105回風(fēng)順槽保留一定的安全系數(shù)1.1，則煤柱寬度應(yīng)大于34.65 m。故煤柱寬度為35 m。

圖3 區(qū)段煤柱應(yīng)力分布示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

FLAC軟件基于有限元計(jì)算，模擬真實(shí)地質(zhì)賦存與圍巖狀況，根據(jù)高河煤礦實(shí)際工礦，建立數(shù)值模型[4-6]。模型包括3#及上、下不同巖性巖層共11層，根據(jù)不同煤柱尺寸建立模型，計(jì)算當(dāng)煤柱尺寸為20、30、35、40 m時(shí)工作面開采后，不同煤柱尺寸的位移、水平應(yīng)力與垂直位移，從而依據(jù)不同的圍巖狀況，選取最合適的煤柱尺寸。

模型考慮計(jì)數(shù)便宜性與準(zhǔn)確性，采用均勻?qū)挾戎迫【W(wǎng)格在水平方向，但在垂直方向，考慮計(jì)算快速性，煤柱附近劃分較密集，其余地方相對(duì)稀疏。固定模型8104模型兩側(cè)邊界與前后邊界，頂部施加13.2 MPa的上覆載荷。

表2為模型巖層的分類和力學(xué)參數(shù)，圖4為構(gòu)建的模型。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)表

圖4 模型三維示意圖

根據(jù)留巷側(cè)留設(shè)大煤柱實(shí)際情況建立三維數(shù)值模型，模擬8104工作面回采完成后，在不同的煤柱寬度下8105工作面回采時(shí)煤柱的應(yīng)力、巷道圍巖變形情況和塑性區(qū)演化過程。模擬留設(shè)煤柱寬度分別為25、30、35、40 m時(shí)，從而確定合理的煤柱寬度。

3.2 數(shù)值模擬分析

由圖5～圖8可知，左右兩側(cè)塑性區(qū)貫通，煤柱內(nèi)應(yīng)力不斷增長(zhǎng)，且煤柱基本上全部處于塑性區(qū)。就是煤柱塑性區(qū)貫通期間，煤柱內(nèi)應(yīng)力相對(duì)于開采初期有小幅度的突增，變化幅度6MPa左右，這主要由于超前支承壓力的影響，再加之煤柱彈性區(qū)過小，應(yīng)力遠(yuǎn)超煤柱的承載極限。

相對(duì)于25 m煤柱應(yīng)力峰值有所減小，并且應(yīng)力峰值同樣滯后工作面35 m左右，30 m寬煤柱塑性區(qū)應(yīng)力分布情況與25 m寬煤柱相似，但30 m寬煤柱比25 m寬煤柱承載能力強(qiáng)，30 m寬煤柱是工作面推至140 m時(shí)塑性區(qū)才貫通，而25 m寬煤柱在工作面推至100 m時(shí)塑性區(qū)就已經(jīng)貫通。從應(yīng)力角度看，當(dāng)工作面推進(jìn)相同距離時(shí)，30 m煤柱應(yīng)力峰值顯然要比25 m寬煤柱小得多，說明其承載能力有所增加。

35 m煤柱塑性區(qū)較前二者更小，在工作面推進(jìn)過程中，煤柱右側(cè)塑性區(qū)不斷發(fā)育，但是并沒有貫穿整個(gè)煤柱，煤柱中間部分仍保持完好狀態(tài)。在應(yīng)力方面，煤柱應(yīng)力峰值不斷增大，并由偏左側(cè)向煤柱中間內(nèi)移，但應(yīng)力峰值沒有重合，煤柱中間還有一部分應(yīng)力較小的彈性區(qū)。

煤柱寬度增大至40 m時(shí)，煤柱塑性區(qū)范圍也沒有明顯的增大，應(yīng)力分布也比較均衡，應(yīng)力峰值為38 MPa左右，但煤柱寬度較大，煤柱絕大部分在其極限載荷下工作，即彈性區(qū)很大，煤柱十分穩(wěn)定，會(huì)造成資源浪費(fèi)。

圍巖內(nèi)最小垂直應(yīng)力為23.8 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.28，此時(shí)煤柱寬度為45 m，但是當(dāng)煤柱寬度大于35 m后煤柱應(yīng)力變化不大，基本保持不變；圍巖內(nèi)最大垂直應(yīng)力為41.1 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.21，此時(shí)煤柱寬度為20 m。

圖5 25 m煤柱塑性區(qū)應(yīng)力變化情況

圖6 30 m煤柱塑性區(qū)應(yīng)力變化情況

圖7 35 m煤柱塑性區(qū)應(yīng)力變化情況

圖8 40 m煤柱塑性區(qū)應(yīng)力變化情況

4 結(jié)論

1) 理論計(jì)算求得煤柱應(yīng)選取35 m左右。

2) 煤柱寬度20 m到35 m，巷道煤柱幫變形量由190 mm減小到132 mm，下降了30.5%，巷道實(shí)體煤幫變形量由322 mm減少到184 mm，下降了42.9%，巷道頂板下沉量由836 mm減少到356 mm，下降了57.4%，巷道煤柱幫變形量由261 mm減少到77 mm，下降了70.5%，因此，選擇煤柱寬度為35 m。

3) 綜合理論計(jì)算與數(shù)值模擬，并基于資源合理利用的出發(fā)點(diǎn)，求得煤柱35 m較為合理。