煤柱高度對(duì)急傾斜煤層開(kāi)采的影響分析

秦晉沛

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100）

在我國(guó)豐富的煤炭資源儲(chǔ)量中，急傾斜煤層占據(jù)主要類型，由于這些煤炭的開(kāi)采難度較大，早期對(duì)于急傾斜煤層的開(kāi)采不足。隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度的增加，以及煤礦開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展，急傾斜煤層的開(kāi)采逐漸成為重點(diǎn)，其礦井?dāng)?shù)量不斷增加。在急傾斜煤層的開(kāi)采中，主要采用充填開(kāi)采與巷道放頂煤開(kāi)采兩種方式。其中，巷道放頂煤開(kāi)采方式為：在采區(qū)內(nèi)沿傾斜方向設(shè)定一定的標(biāo)高，再進(jìn)行區(qū)段的劃分，然后在每個(gè)區(qū)段內(nèi)進(jìn)行放頂煤開(kāi)采，最后由放煤口將頂煤放出及回收[1]。巷道放頂煤開(kāi)采涉及的所有工藝及開(kāi)采工序均在放煤巷道內(nèi)完成，而巷道受開(kāi)采動(dòng)壓作用的影響，會(huì)對(duì)于開(kāi)采的安全性帶來(lái)一定影響[2]。通過(guò)對(duì)巷道保護(hù)煤柱的高度進(jìn)行分析，明確巷道所受動(dòng)壓的影響作用，從而保證放煤巷道的穩(wěn)定，減少巷道維護(hù)的費(fèi)用，提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益。

1 巷道放頂煤開(kāi)采煤柱高度的理論分析

在進(jìn)行急傾斜煤層的開(kāi)采時(shí)，隨著頂煤的垮落，煤巖的初始應(yīng)力受到破壞而重新分布，使頂板出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。將破碎后的頂煤視為弱彈性體，將頂板假設(shè)為彈性體上的橫梁[3]，以此建立頂煤垮落后的力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 頂煤垮落力學(xué)模型示意圖

從圖1中可以看出，在x＞0的側(cè)面，橫梁與實(shí)體煤層間為連續(xù)性接觸，而在另外一側(cè)，則是橫梁與散落煤層的連續(xù)接觸，橫梁受到連續(xù)分布的反力作用。頂板所受壓力分布如圖2所示。

圖2 頂板承壓分布示意圖

從圖2中可以看出，頂煤垮落后，在實(shí)體的頂板上形成了相應(yīng)的應(yīng)力集中區(qū)。在進(jìn)行巷道放頂煤開(kāi)采時(shí)，為了避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)，風(fēng)巷的位置只有圖2中的1、2兩個(gè)位置可供選擇[4]。位置1處的巷道處于零壓力區(qū)，但巷道的一側(cè)為采空區(qū)，支架無(wú)法進(jìn)行有效支撐，且受采空區(qū)煤矸等脫落的影響，存在一定的安全隱患；位置2處的風(fēng)巷有效避開(kāi)了高應(yīng)力的作用區(qū)域，且上方有煤柱的存在，不影響巷道的安全。放煤巷道上方的煤柱對(duì)放煤巷道具有一定的保護(hù)作用，但若煤柱高度太高，會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)，不利于煤炭的回收。依據(jù)工程應(yīng)用的實(shí)例，保護(hù)煤柱的高度一般設(shè)定在1～2 m之間，當(dāng)煤層較為松軟時(shí)，可以適當(dāng)增加煤柱高度，但要避免煤柱直接承載的情況[5]。

2 巷道放頂煤開(kāi)采煤柱高度的仿真分析

2.1 巷道放頂煤開(kāi)采數(shù)值模型的建立

針對(duì)開(kāi)采煤柱的高度進(jìn)行仿真分析，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模型的建立。FLAC3D是采用三維顯式進(jìn)行有限差分計(jì)算的軟件，可用于對(duì)土木工程、石油開(kāi)采及環(huán)境工程等問(wèn)題進(jìn)行分析。在軟件中科學(xué)設(shè)置多種材質(zhì)類型，也可改變局部區(qū)域的材料類型，以適用于對(duì)該煤層的開(kāi)采的仿真模擬[6]。在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，設(shè)定模型大小為38 m×30 m×22.5 m（長(zhǎng)×寬×高），開(kāi)采風(fēng)巷為30 m；設(shè)定模型的底部固定，上部承受來(lái)自覆巖的重力作用，限制其水平方向的位移。煤層的傾角為50°，平均厚度為6 m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，得到其數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 巷道放頂煤開(kāi)采數(shù)值模型

2.2 煤柱高度對(duì)巷道放頂煤開(kāi)采的影響仿真分析

在進(jìn)行巷道放頂煤開(kāi)采分析時(shí)，設(shè)定開(kāi)采煤柱最大高度為2 m，由此進(jìn)行運(yùn)算分析。通過(guò)FLAC3D運(yùn)算后將相應(yīng)的結(jié)果導(dǎo)出，可以得到巷道圍巖的破壞特征分布及相應(yīng)的應(yīng)力分布，如圖4所示。其中應(yīng)力分布分為垂直應(yīng)力、剪切應(yīng)力和水平應(yīng)力三種類型。從圖4中可以看出，在開(kāi)采過(guò)程中，當(dāng)上區(qū)段的開(kāi)采結(jié)束之后，采場(chǎng)的頂板巖層以剪切破壞形式為主。從圖4-1中可知，順槽頂板兩側(cè)出現(xiàn)了較大區(qū)域的塑性破壞，頂板的煤柱完全被破壞，由于煤柱的保護(hù)作用，在下區(qū)段的順槽應(yīng)該采取合理的支護(hù)方式，以對(duì)下區(qū)段的順槽進(jìn)行保護(hù)，從而避免上區(qū)段的煤矸等落入。圖4-2為垂直應(yīng)力的分布情況，回風(fēng)順槽頂板的中部垂直應(yīng)力較小，此時(shí)煤柱產(chǎn)生塑性破壞，煤柱自身的結(jié)構(gòu)不能起到有效支撐，應(yīng)采取有效的支護(hù)措施來(lái)保證順槽煤柱的整體性。圖4-3為剪切應(yīng)力的分布情況，此時(shí)的剪切應(yīng)力最大值位于頂板的巖層中。圖4-4中為水平應(yīng)力的分布情況，此時(shí)回風(fēng)順槽圍巖的水平應(yīng)力值較小。綜上描述，煤柱高度為2 m時(shí)，下區(qū)段的開(kāi)采應(yīng)力降低，此時(shí)巷道布置及煤柱高度對(duì)圍巖應(yīng)力影響較小，可對(duì)巷道進(jìn)行有效的支護(hù)。

圖4 煤柱巷道破壞模擬結(jié)果

3 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)開(kāi)采煤柱高度對(duì)放頂煤開(kāi)采時(shí)的影響作用進(jìn)行分析，在理論上論證了煤柱對(duì)采空區(qū)煤矸的緩沖作用，而不能進(jìn)行覆巖的承載，確定其高度為1～2 m。

2）設(shè)定煤柱高度為2 m，對(duì)其影響作用進(jìn)行仿真分析，選取了圍巖的塑性破壞及應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在煤柱高度為2 m時(shí)，煤層的開(kāi)采主要以剪切破壞的形式為主，同時(shí)在上巷幫的位置出現(xiàn)塑性破壞，頂板的煤柱受到破壞；上巷頂板的中部位置受到的垂直應(yīng)力較小，在頂板的圍巖中存在最大的剪切應(yīng)力，且此處的水平應(yīng)力也比較小。

3）在進(jìn)行急傾斜煤層的巷道放頂煤開(kāi)采時(shí)，在給定條件下，煤柱高度為2m時(shí)，下區(qū)段的上巷處在工作面采動(dòng)作用較小的區(qū)域，此時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行布置，對(duì)圍巖產(chǎn)生的應(yīng)力作用較小，同時(shí)也有利于對(duì)巷道的支護(hù)。

4）急傾斜煤層的開(kāi)采煤柱的高度，對(duì)于巷道的支護(hù)作用及圍巖的應(yīng)力影響較大，應(yīng)選取合理的數(shù)值，以保證開(kāi)采的安全性及開(kāi)采效率，從而提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。