常村煤礦2106工作面切頂卸壓后停采煤柱合理寬度確定研究

呂維赟

(潞安化工集團有限公司，山西 長治 046000)

目前常村煤礦2106工作面的停采線保護煤柱尺寸留設(shè)寬度為70 m，煤炭資源不能得到充分回采。采用合適的切頂卸壓措施能夠切斷末采期支承應(yīng)力的傳遞路徑，因此可以縮小保護煤柱，同時可以保護采區(qū)大巷的穩(wěn)定。本文采用針對連續(xù)介質(zhì)模型的有限元數(shù)值計算程序FLAC3D進行數(shù)值模擬計算，分析切頂卸壓后的停采線煤柱合理寬度。

1 2106工作面地質(zhì)條件

2106工作面主采3號煤層，工作面寬度308 m，工作面沿推進方向上被落差為10 m的大斷層隔斷，2106內(nèi)切眼至第一停采線的距離為412 m，2106外切眼至第二停采線的距離為570 m。第二停采線為工作面的最終停采線，最終停采線距離470東翼1號回風(fēng)巷的保護煤柱寬度70 m。2106工作面北部與2107工作面相鄰(未開采)，南部與2101采空區(qū)相鄰，2106膠帶巷道距離采空區(qū)的距離為40 m。2106底抽巷與2106軌道巷的水平距離為25 m，巷道頂板距離3號煤層底板垂直距離為22 m。工作面平面圖如圖1所示。

圖1 2106工作面平面布置圖

2106工作面開采的3號煤層厚度5.92 m，埋深約為430 m，煤層直接頂為泥巖，厚度3 m，老頂為中粒砂巖，厚度6.6 m，再向上延伸為泥巖與細砂巖的互層。直接底為泥巖，厚度1.2 m，老底為細粒砂巖，厚度1.5 m。其中老頂6.6 m厚的中粒砂巖為厚度較大的堅硬巖層，在末采停采線位置容易形成長懸頂，造成強礦壓顯現(xiàn)，因此成為重點控制的對象。巖層柱狀圖如圖2所示。

圖2 2106工作面煤層地質(zhì)柱狀圖

2 數(shù)值模擬模型的建立

根據(jù)常村煤礦2106工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，工作面寬度308 m，煤層厚度5.92 m，埋深430 m，利用FLAC3D在數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值計算模型，模擬2106工作面與采區(qū)大巷煤柱寬度50 m、60 m、70 m和80 m共4種情況，分析切頂卸壓前后不同停采線煤柱寬度下采區(qū)大巷的變形特征。模型長400 m，寬350 m，高60 m。模型的底部和左邊界約束水平方向位移，模型底面約束垂直方向位移，模型頂部邊界為自由面，并在模型頂部施加等效于上部覆巖重力的均布載荷9.25 MPa，本構(gòu)模型選擇摩爾庫倫模型。模型中力學(xué)參數(shù)如表1所示,建立模型如圖3所示。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 FLAC3D數(shù)值模型圖

開挖步驟：開挖采區(qū)準備巷道—開挖2106工作面—停采線附近保留不同寬度的保護煤柱—觀測采區(qū)準備巷道的變形特征。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 50 m煤柱寬度下采區(qū)準備巷道圍巖變形量

由圖4(a)以及圖5(a)可以看出在未切頂?shù)臈l件下，采區(qū)準備巷道兩幫移近量為357 mm左右，巷道頂?shù)装逡平繛?85 mm左右。由圖4(b)以及圖5(b)可以看出在切頂?shù)臈l件下，采區(qū)準備巷道兩幫移近量為237 mm左右，頂?shù)装逡平繛?63 mm左右。經(jīng)過切頂處理后，采區(qū)準備巷道兩幫移近量減少33%左右，頂?shù)装逡平繙p少31%左右。

3.2 60 m煤柱寬度下采區(qū)準備巷道圍巖變形量

由圖6(a)以及圖7(a)可以看出在未切頂?shù)臈l件下，采區(qū)準備巷道兩幫移近量為291 mm左右，巷道頂?shù)装逡平繛?24 mm左右。由圖6(b)以及圖7(b)可以看出在切頂?shù)臈l件下，采區(qū)準備巷道兩幫移近量為134 mm左右，頂?shù)装逡平繛?55 mm左右。經(jīng)過切頂處理后，采區(qū)準備巷道兩幫移近量減少53%左右，頂?shù)装逡平繙p少52%左右。

圖4 切頂處理前后50 m煤柱條件下巷道兩幫移近量圖

圖5 切頂處理前后50 m煤柱條件下巷道頂?shù)装逡平繄D

圖6 切頂處理前后60 m煤柱條件下巷道兩幫移近量圖

圖7 切頂處理前后60 m煤柱條件下巷道頂?shù)装逡平繄D

3.3 70 m煤柱寬度下采區(qū)準備巷道圍巖變形量

由圖8(a)以及圖9(a)可以看出在未切頂?shù)臈l件下，采區(qū)準備巷道兩幫移近量為243 mm左右，巷道頂?shù)装逡平繛?56 mm左右。由圖8(b)以及圖9(b)可以看出在切頂?shù)臈l件下，采區(qū)準備巷道兩幫移近量為64 mm左右，頂?shù)装逡平繛?2 mm左右。經(jīng)過切頂處理后，采區(qū)準備巷道兩幫移近量減少73%左右，頂?shù)装逡平繙p少72%左右。

圖8 切頂處理前后70 m煤柱條件下巷道兩幫移近量圖

圖9 切頂處理前后70 m煤柱條件下巷道頂?shù)装逡平繄D

3.4 80 m煤柱寬度下采區(qū)準備巷道圍巖變形量

由圖10(a)以及圖11(a)可以看出在未切頂?shù)臈l件下，采區(qū)準備巷道兩幫移近量為164 mm左右，巷道頂?shù)装逡平繛?98 mm左右。由圖10(b)以及圖11(b)可以看出在切頂?shù)臈l件下，采區(qū)準備巷道兩幫移近量為46 mm左右，頂?shù)装逡平繛?3 mm左右。經(jīng)過切頂處理后，采區(qū)準備巷道兩幫移近量減少72%左右，頂?shù)装逡平繙p少73%左右。

圖10 切頂處理前后80 m煤柱條件下巷道兩幫移近量圖

圖11 切頂處理前后80 m煤柱條件下巷道頂?shù)装逡平繄D

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，對比分析不同寬度的停采線煤柱在切頂前后的采區(qū)準備巷道變形量，繪制采區(qū)準備巷道的圍巖變形特征曲線如圖12所示。

圖12 采區(qū)準備巷道圍巖變形量圖

4 結(jié) 語

1) 通過FLAC3D對2106工作面數(shù)值模擬結(jié)果表明，在末采期間進行切頂處理，可以有效的控制圍巖變形。停采線位置切頂處理后，留設(shè)60 m保護煤柱的采區(qū)準備巷道采區(qū)準備巷道兩幫移近量為134 mm左右，頂?shù)装逡平繛?55 mm左右。留設(shè)50 m保護煤柱的采區(qū)準備巷道兩幫移近量為237 mm左右，頂?shù)装逡平繛?63 mm左右。

2) 當(dāng)煤柱寬度從70 m增加到80 m時，經(jīng)過切頂處理后，采區(qū)準備巷道兩幫及頂?shù)装逡平繙p少均在72%～73%左右，減少幅度不再增加，因此綜合考慮巷道圍巖的穩(wěn)定以及煤炭資源的采出率，在進行切頂處理后，能保證采區(qū)準備巷道在服務(wù)期間的巷道變形量在可控范圍內(nèi)，滿足生產(chǎn)的要求，2106工作面停采線煤柱留設(shè)尺寸可以減小為70 m。