綜放沿空掘巷合理煤柱寬度數(shù)值模擬研究

李金剛，白云飛，梁雁俠，史 勇

(晉能控股煤業(yè)集團 麻家梁煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000)

煤柱寬度的研究一直是厚煤層綜放開采中備受學(xué)者關(guān)注的課題，煤柱寬度會隨著地質(zhì)條件以及開采方式的變化而變化，煤柱寬度影響回采引起的支撐壓力對巷道的影響程度及煤柱的載荷，以及圍巖位移場分布、圍巖應(yīng)力狀態(tài)[1-4].因此，合理的區(qū)段煤柱寬度至關(guān)重要，不僅可以保證工作面正常推進，而且可以提高煤炭采出率。目前，大采高放頂煤開采中巷道布置方式包括3種，寬煤柱護巷、預(yù)留窄煤柱沿空掘巷以及沿空留巷[2].留設(shè)寬煤柱護巷是以前比較常用的一種護巷方式，煤柱較寬時其承載能力較強，可以保證巷道的穩(wěn)定性，但由于上覆巖層太厚而無法回采造成煤炭大量損失，降低了煤炭采出率，在厚煤層壓力的作用下，留設(shè)寬煤柱使得煤柱側(cè)向支承壓力范圍變大，巷道更容易達到其峰值應(yīng)力，影響巷道的穩(wěn)定性[3].沿空留巷雖然解決了寬煤柱護巷中遺留煤柱的問題，且開采效率高，但其穩(wěn)定性較差，給巷道支護帶來困難。預(yù)留窄煤柱護巷可以同時解決寬煤柱和沿空留巷的問題，既保護了巷道的穩(wěn)定性又保證了煤炭的采出率[5-8].

晉能控股煤業(yè)集團麻家梁煤礦14211工作面為厚煤層綜放工作面，圍巖變形劇烈、支護困難，采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法確定合理的煤柱寬度，以維持巷道穩(wěn)定性，提高煤礦采出率。

1 地質(zhì)條件

麻家梁煤礦范圍內(nèi)共含可采煤層7層，即4號、5號、6號、8號、9號、9下號、11號煤；其中4、9號煤層為主要開采煤層，4號煤層厚度1.35～12.93 m，平均6.55 m，9號煤層厚度0.79～20.53 m，平均11.49 m，平均間距57 m，分兩個水平開拓，目前開采+665 m水平4號煤層。

該礦井地溫地壓屬于正常區(qū)域，水文地質(zhì)條件為中等；直接充水含水層為4號煤層頂部砂巖裂隙含水層，富水性極不均一；奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層水相對4號煤層底板水頭壓力3.20～5.90 MPa，4號煤底板奧灰突水系數(shù)為0.03～0.05 MPa/m，屬相對安全區(qū)。

2 模型建立

2.1 數(shù)值模型建立

采用三維數(shù)值模擬軟件FLAC3D5.0對麻家梁煤礦14211工作面煤柱寬度進行模擬，對比分析不同煤柱條件下垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的分布情況，為沿空掘巷煤柱寬度的確定提供依據(jù)。數(shù)值模型見圖1.

圖1 數(shù)值模型圖

模擬采用摩爾庫倫模型，其屈服準(zhǔn)則的表達式為：

式中，σ1、σ3分別為主應(yīng)力最大值和最小值，MPa;φ為煤巖體的內(nèi)摩擦角，(°);c為煤巖體的黏聚力,MPa.

位移邊界條件：模型對四周和地面進行約束，即限制模型在X、Y方向的水平位移和Z軸負方向的位移，X=0、X=280、Y=0、Y=150 和Z=0.

應(yīng)力邊界條件：數(shù)值模型的建立一般會根據(jù)實際地質(zhì)條件按比例簡化，忽略一些次要因素的影響，由于開挖巷道只能對巷道、煤柱及周邊地區(qū)產(chǎn)生影響，在該模型上部施加7.5 MPa的垂直均勻載荷代替上覆巖層的壓力，側(cè)壓系數(shù)取1.2，煤層高度為6 m，巷道高度為2.8 m，頂煤3.2 m，見圖2.

圖2 局部模型圖

2.2 巖石力學(xué)參數(shù)

根據(jù)14211工作面現(xiàn)場收集到的地質(zhì)資料得知,煤層頂板依次為炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖和K3砂巖，底板巖層依次為砂質(zhì)泥巖、泥巖。模擬時用到的力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 模擬內(nèi)容

1)模擬上區(qū)段工作面回采后實體煤側(cè)上覆巖層側(cè)向支撐壓應(yīng)力的分布情況，分析側(cè)向支承壓力的最大值以及與煤壁邊緣的距離，以此來分析沿空巷道布置的具體位置。

2)上區(qū)段工作面回采后，模擬預(yù)留6 m、8 m、10 m、12 m、14 m和16 m煤柱6種方案，分析14211工作面在預(yù)留不同寬度煤柱情況下沿空巷道開挖對側(cè)向支承壓力分布的影響以及巷道圍巖的應(yīng)力分布情況。

3 采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布

上區(qū)段工作面回采后，采空區(qū)左側(cè)實體煤垂直應(yīng)力分布見圖3.由圖3可知，經(jīng)過上區(qū)段工作面回采，左側(cè)實體煤垂直應(yīng)力將重新分布，主要表現(xiàn)為應(yīng)力集中現(xiàn)象，在圖中看上去像是一個同心橢圓，由外到內(nèi)垂直應(yīng)力越來越大，最大垂直應(yīng)力約為19.32 MPa，該點距實體側(cè)煤壁約為5.92 m.側(cè)向支承壓力曲線圖見圖4.從圖4中可以看出，上區(qū)段工作面回采后在采空區(qū)實體煤側(cè)煤體內(nèi)引起的應(yīng)力擾動范圍約為36 m，距離煤壁0～3 m，實體煤側(cè)下部的煤體在強烈的壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂隙，該范圍被稱為破裂區(qū)，在這個范圍內(nèi)的煤體所受荷載已經(jīng)超過了自身的強度極限，且有可能會有部分坍塌；在距離實體煤邊緣3～6 m，此范圍被稱為塑性區(qū)，區(qū)域內(nèi)3～6 m垂直應(yīng)力逐步增大最終達到最大值，其最大值約為20 MPa，此范圍煤體基本不會產(chǎn)生裂隙；在距離實體煤邊緣大于6 m的區(qū)域被稱為彈性區(qū)，沿空巷道不宜布置在破壞區(qū)和塑性區(qū)，若在實體煤側(cè)6 m范圍內(nèi)布置，巷道圍巖裂隙會隨沿空巷道的開挖逐漸增大，圍巖變型也會加大，所以沿空巷道適合布置在距離采空區(qū)邊緣6 m范圍以外，即布置在彈性區(qū)。

圖3 側(cè)向垂直應(yīng)力分布圖

圖4 側(cè)向支承壓力曲線圖

4 沿空掘巷期間圍巖垂直應(yīng)力分布

不同煤柱寬度情況下煤柱及實體煤側(cè)垂直應(yīng)力分布云圖見圖5.從圖5的模擬結(jié)果可以得知，不同煤巷寬度條件時，在巷道實體煤幫及煤柱內(nèi)部會形成范圍不等、具有非對稱性的應(yīng)力集中區(qū)域。當(dāng)煤柱寬度為6 m時，實體煤側(cè)應(yīng)力云圖主要表現(xiàn)出同心橢圓狀，出現(xiàn)較為集中的應(yīng)力集中現(xiàn)象;在煤柱一側(cè)的應(yīng)力值不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象;當(dāng)煤柱寬度為8 m 時，實體煤側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯加強，而在煤柱側(cè)也出現(xiàn)了小范圍的應(yīng)力集中，隨著煤柱寬度的逐漸增加，實體煤側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸消失，而在煤柱側(cè)應(yīng)力集中范圍逐漸變大;煤柱寬度為10 m時煤柱側(cè)應(yīng)力集中范圍超過了實體煤側(cè)，煤柱寬度為6 m和8 m時，實體煤側(cè)應(yīng)力峰值分別為20.1 MPa和18.8 MPa，煤柱側(cè)峰值分別為10 MPa和12 MPa;煤柱寬度為10 m、12 m、14 m、16 m時，實體煤側(cè)應(yīng)力基本集中在15 MPa,煤柱側(cè)應(yīng)力峰值分別為20.6 MPa、22.1 MPa、23.3 MPa、23.6 MPa.

圖5 掘巷期間不同寬度煤柱垂直應(yīng)力云圖

5 掘巷期間圍巖水平應(yīng)力分布

不同預(yù)留煤柱寬度條件下沿空巷道上覆巖層水平應(yīng)力分布云圖見圖6.由圖6可知，煤巷頂板巖層內(nèi)水平應(yīng)力比較集中，主要分布在沿空巷道正上方，其位置會隨煤柱寬度的增加略有偏移，煤柱寬度越大水平應(yīng)力集中區(qū)域越往煤柱側(cè)偏移。煤柱寬度為6 m時，上覆巖層最大水平應(yīng)力值為43.3 MPa;煤柱寬度為16 m時，上覆巖層水平應(yīng)力為42.4 MPa，說明最大水平應(yīng)力的大小隨煤柱寬度的變化而變化的范圍不是很大，基本都超過40 MPa，在此高水平應(yīng)力作用下巖層會有明顯的水平位移，在煤柱內(nèi)的水平應(yīng)力值不會隨煤柱寬度的變化而變化，基本最大水平應(yīng)力處于10 MPa左右，要遠遠小于垂直應(yīng)力的最大值。為防止上覆巖層水平移動,在支護時要加強剪切應(yīng)力的防護。

圖6 掘巷期間不同寬度煤柱水平應(yīng)力云圖

6 掘巷期間圍巖垂直位移分布

不同預(yù)留煤柱寬度條件下沿空巷道上覆巖層垂直位移分布云圖見圖7.由圖7可知，留設(shè)6 m煤柱時，沿空巷道頂?shù)装逡七M量最大，頂板最大下沉量為180 mm,最大底鼓量為90 mm，頂?shù)装逑鄬σ七M量為270 mm;留設(shè)8 m煤柱時，頂板最大下沉量為125 mm，最大底鼓量與6 m時基本沒有變化，頂?shù)装逑鄬σ七M量為215 mm，巷道垂直位移明顯減?。浑S著煤柱寬度的逐漸增加，煤柱寬度為16 m時沿空巷道頂板下沉量逐漸減小到40 mm，底鼓量也逐漸減小到70 mm，頂?shù)装逑鄬σ七M量減小到110 mm，頂板變化速度要遠比底板變化速度快；6 m煤柱時，煤柱側(cè)和實體煤側(cè)上覆巖層垂直位移分布主要呈現(xiàn)非對稱現(xiàn)象，煤柱側(cè)上覆巖層垂直位移明顯比實體煤側(cè)大，說明此時煤柱因荷載太大而發(fā)生變形;當(dāng)煤柱為8 m時，這種非對稱現(xiàn)象會稍微減弱，整體還表現(xiàn)為煤柱側(cè)變形量大于實體煤側(cè);當(dāng)煤柱寬度為10 m時，這種非對稱現(xiàn)象基本消失，煤柱側(cè)和實體煤側(cè)位移云圖均勻分布，表明10 m的煤柱對沿空巷道起到良好的支護作用。

圖7 掘巷期間不同寬度煤柱垂直位移云圖

7 掘巷期間圍巖水平位移分布

不同預(yù)留煤柱寬度條件下沿空巷道巷幫水平位移分布云圖見圖8.由圖8可知，沿空巷道巷幫水平位移隨煤柱寬度增加反而逐漸減小，煤柱寬度為6 m時其水平位移量最大，靠近實體煤一側(cè)水平位移量大約為125 mm，靠近煤柱一側(cè)水平位移量大約為200 mm,整體表現(xiàn)為靠近煤柱側(cè)的水平位移要大于實體煤側(cè)，對于煤柱而言，靠近采空區(qū)一側(cè)煤柱部分和靠近實體煤側(cè)煤柱部分水平位移呈現(xiàn)明顯的非對稱性，隨著煤柱寬度的增加這種非對稱性會逐漸減弱，但不會消失。

圖8 掘巷期間不同寬度煤柱水平位移云圖

不同預(yù)留煤柱寬度條件下煤柱寬度方向上不同位置的垂直應(yīng)力曲線分布圖見圖9.由圖9可知，煤柱中的垂直應(yīng)力隨著離采空區(qū)邊緣距離的增加先增后減，垂直應(yīng)力的峰值隨著煤柱寬度的增加逐漸增大，煤柱寬度從6 m增加到12 m的過程中，應(yīng)力峰值快速增加，其峰值的位置距離采空區(qū)邊緣也逐漸變遠，應(yīng)力曲線呈對稱分布；煤柱寬度從12 m 增大為16 m的過程中，應(yīng)力峰值基本保持在距離采空區(qū)邊緣6.3 m處不變，垂直應(yīng)力基本值保持在23 MPa，應(yīng)力曲線呈非對稱式分布，在距離采空區(qū)邊緣3 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力隨煤柱寬度變化基本不發(fā)生變化。

圖9 不同寬度煤柱應(yīng)力曲線圖

不同寬度煤柱位移曲線見圖10.由圖10可知，煤柱中存在位移為零的點，6 m煤柱時位移為零的點距離采空區(qū)邊緣2.6 m，8～16 m煤柱時位移為零的點基本一致，距離采空區(qū)邊緣4 m,零位移點上方為采空區(qū)側(cè)煤柱水平位移情況，其水平位移曲線斜率基本保持不變，離采空區(qū)邊緣越遠水平位移越小，煤柱寬度從8 m增大到16 m過程中，煤柱內(nèi)水平位移不斷減小；零位移點下方為實體煤側(cè)煤柱水平位移情況，其位移曲線斜率隨煤柱寬度的增加而減小，距離采空區(qū)邊緣越遠其水平應(yīng)力越大，在煤柱側(cè)水平位移與到采空區(qū)邊緣的距離成反比，而在實體煤側(cè)水平位移與到采空區(qū)邊緣的距離成正比。

圖10 不同寬度煤柱位移曲線圖

8 結(jié) 論

根據(jù)采空區(qū)左側(cè)煤巖體側(cè)向支承壓力分布模擬結(jié)果可知，沿空巷道適合布置在采空區(qū)側(cè)向巖體彈性區(qū)內(nèi)，即距離采空區(qū)邊緣6 m范圍以外。當(dāng)煤柱寬度為6～8 m時，沿空巷道上方煤巖體垂直應(yīng)力明顯呈不對稱性，實體煤一側(cè)出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯大于煤柱側(cè)，說明其沿空巷道變形嚴(yán)重，因此得知煤柱寬度必須大于8 m；當(dāng)煤柱寬度為12～16 m時，應(yīng)力集中現(xiàn)象從實體煤側(cè)轉(zhuǎn)移到煤柱上，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，無法將應(yīng)力轉(zhuǎn)移，高強度的壓力會使煤柱嚴(yán)重變形，對沿空巷道起不到有效的支護作用；當(dāng)煤柱寬度為10～12 m時，煤柱側(cè)和實體煤側(cè)垂直應(yīng)力分布較為均勻，兩側(cè)均不會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得實體煤和煤柱共同對上覆巖層起到支護作用，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)煤柱寬度設(shè)計原則，最終確定14211工作面沿空巷道護巷煤柱的寬度為10 m.