小煤柱開采合理寬度的確定及數(shù)值模擬分析

王彬彬

(同煤集團(tuán)臨汾宏大雪坪煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041099)

引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長且新能源利用率不高的情況，對煤炭的需求量越來越大。為保證煤炭資源的可持續(xù)發(fā)展，盡可能的減小煤炭資源的浪費(fèi)，需提升綜采工作面煤炭資源的采出率和利用率。因此，傳統(tǒng)寬煤柱護(hù)巷方式已經(jīng)不可取，當(dāng)前主流護(hù)巷以小煤柱為主，且在未來將采用無煤柱護(hù)巷的方式[1]。針對小煤柱開采其合理寬度這一參數(shù)在保證工作面生產(chǎn)安全性的基礎(chǔ)上，盡可能的提升工作面的開采率。本文將著重研究以數(shù)值模擬方式對小煤柱開采合理寬度的確定過程。

1 工程概況

本文以3101工作面的1#煤層的開采為例開展小煤柱開采方式在其應(yīng)用。1#煤層的厚度范圍為2.8 m～3.2 m，平均厚度為3 m，煤層中主要以暗煤為主，中間夾雜著矸石。煤層的傾角范圍為14°～20°?？傮w說來，1#煤層相對穩(wěn)定，當(dāng)其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且頂板偽頂容易脫落。3101工作面頂?shù)装迩闆r，如表1所示。

表1 3101工作面頂?shù)装迩闆r

2 小煤柱巷道位置的確定

一般的，小煤柱開采時(shí)其對應(yīng)巷道的位置，如圖1中的1#、2#、3#位置所示。

如圖1所示，當(dāng)小煤柱開采對應(yīng)的巷道確定為圖中1時(shí)，由于其對應(yīng)煤柱寬度較小容易導(dǎo)致其內(nèi)部發(fā)生塑性變形在回采階段容易出現(xiàn)片幫、冒頂事故的發(fā)生，但該位置便于對煤柱維護(hù)且回采率較高；當(dāng)小煤柱開采對應(yīng)的巷道確定為圖中2時(shí)，存在工作面圍巖應(yīng)力值大且巷道的變形嚴(yán)重，后期維護(hù)困難，目前3101工作面就是采用圖2位置的小煤柱開采方式；當(dāng)小煤柱開采對應(yīng)的巷道確定為圖中3時(shí)，此時(shí)煤柱留設(shè)的寬度值較大具有較強(qiáng)的承載能力，便于后期對巷道維護(hù)，但是工作面對煤炭資源浪費(fèi)較大且回采率低[2]。

圖1 小煤柱開采巷道位置選擇項(xiàng)

因此，煤柱寬度值的合理確定需同時(shí)兼顧巷道的支護(hù)成本和回采率兩項(xiàng)重要參數(shù)。因此，在巷道煤柱寬度留設(shè)寬度確定時(shí)需遵循如下原則：

1) 要求煤柱留設(shè)寬度值能夠有效隔離工作面的采空區(qū)，并避免采空區(qū)漏風(fēng)發(fā)火的情況發(fā)生；

2) 在保證工作面巷道生產(chǎn)安全性的前提下(保證工作面圍巖的穩(wěn)定性)，盡可能提高煤炭資源的回采率；

3) 要求所留設(shè)相應(yīng)寬度的煤柱應(yīng)具備較高承載能力[3]。

3 小煤柱留設(shè)寬度的確定

確定小煤柱留設(shè)寬度值可通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬手段相結(jié)合的方式進(jìn)行綜合分析。

3.1 基于理論計(jì)算確定小煤柱留設(shè)寬度值

小煤柱留設(shè)寬度理論計(jì)算依據(jù)極限平衡理論確定，對應(yīng)的小煤柱留設(shè)寬度計(jì)算公式，如式(1) 所示。

B=Z1+Z2+Z3

(1)

式中，B為小煤柱合理寬度值；Z1為基于極限平衡理論下錨桿距離煤柱邊緣的距離；Z2為錨桿的有效長度；Z3一般取0.15-0.35×(Z1+Z2)。

結(jié)合3101工作面的實(shí)際情況，其錨桿距離煤柱邊緣的距離Z1=1.7 m；錨桿的設(shè)計(jì)長度為2 m，為保證錨桿支護(hù)的有效性一般取錨桿的有效長度為其設(shè)計(jì)長度為1.15倍，即Z2=1.15×2=2.3 m；則對應(yīng)的取值范圍為0.6 m～1.4 m。經(jīng)計(jì)算可得：小煤柱的合理寬度值=1.7+2.3+0.6(1.4)=4.6(5.4) m。因此，最終得出基于理論計(jì)算的小煤柱留設(shè)寬度范圍為4.6 m～5.4 m。

3.2 基于數(shù)值模擬確定煤柱留設(shè)寬度

3.2.1 數(shù)值模擬模型的搭建

本文將基于數(shù)值模擬軟件結(jié)合3101工作面的尺寸建立模型，所確定數(shù)值仿真模擬模型的高度為40 m，寬度為70 m，長度為190 m，如圖2所示。

根據(jù)表1所測得3101工作面頂?shù)装迩闆r中頂板和底板各個(gè)巖層容重、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、彈性模量以泊松比等參數(shù)，如圖2所示的模型中進(jìn)行對應(yīng)性的設(shè)計(jì)[4]。在保證數(shù)值模擬模型有效性的基礎(chǔ)上，分別對煤柱留設(shè)寬度值分別為3 m、5 m、10 m、15 m、22 m以及35 m時(shí)在回采期間煤柱應(yīng)力情況進(jìn)行模擬分析。

圖2 3101工作面小煤柱開采數(shù)值模擬模型

3.2.2 不同煤柱寬度對應(yīng)煤柱應(yīng)力變化

不同煤柱寬度對應(yīng)煤柱應(yīng)力變化情況如圖3、圖4所示。其中，圖3為不同煤柱寬度對應(yīng)煤柱垂直應(yīng)力變化，圖4為不同煤柱寬度對應(yīng)煤柱水平應(yīng)力變化。

圖3 不同煤柱寬度對應(yīng)煤柱垂直應(yīng)力變化

圖4 不同煤柱寬度對應(yīng)煤柱水平應(yīng)力變化

分析圖3可得出如下結(jié)論：

1) 隨著煤柱留設(shè)寬度的增加，對應(yīng)煤柱最大垂直應(yīng)力增大。當(dāng)煤柱留設(shè)寬度為3 m時(shí)其煤柱最大垂直應(yīng)力為9.1 MPa；當(dāng)煤柱寬度為35 m時(shí)其煤柱最大垂直應(yīng)力為24.2 MPa。

2) 不同煤柱留設(shè)寬度在回采期間煤柱垂直應(yīng)力的變化趨勢一致[5]。而且，巷道頂板對應(yīng)的垂直應(yīng)力值較小，而巷道兩幫的應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，即巷道頂板變形較小，兩幫變形嚴(yán)重。

分析圖4得出如下結(jié)論：

1) 隨著煤柱留設(shè)寬度的增加，對應(yīng)煤柱最大水平應(yīng)力增大。當(dāng)煤柱留設(shè)寬度為3 m時(shí)其煤柱最大水平應(yīng)力為9.3 MPa；當(dāng)煤柱寬度為35 m時(shí)其煤柱最大水平應(yīng)力為20.32 MPa。

總的來說，當(dāng)煤柱寬度為5 m時(shí)對應(yīng)煤柱內(nèi)部的應(yīng)力變化相對穩(wěn)定，即其具有較好的穩(wěn)定性；當(dāng)煤柱為10 m～20 m時(shí)煤柱內(nèi)部應(yīng)力變化較大，后期維護(hù)困難較大；當(dāng)煤柱寬度為35 m時(shí)，雖然其內(nèi)部應(yīng)力變化范圍小，但是對應(yīng)的回采率低，造成煤炭資源的浪費(fèi)。

因此，綜合小煤柱開采留設(shè)寬度的理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析，最終確定小煤柱開采的最佳留設(shè)寬度為5 m。

4 結(jié)語

為解決傳統(tǒng)寬煤柱開采煤炭資源回采率低，煤炭浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，小煤柱開采甚至無煤柱開采為未來煤炭開采的主要趨勢。而小煤柱開采中對應(yīng)留設(shè)寬度的合理性需綜合煤礦開采的安全性和回采率兩項(xiàng)指標(biāo)。本文對3101工作面小煤柱開采留設(shè)寬度綜合理論計(jì)算和數(shù)值模擬方式最終確定為5 m。