薛虎溝礦1209綜放工作面區(qū)段煤柱合理寬度研究

安文廣

（霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司, 山西臨汾 041000）

1 概述

在煤礦開采過程中, 由于井下作業(yè)環(huán)境較為惡劣, 使得在正常開采過程中, 巷道受到的應(yīng)力環(huán)境十分復(fù)雜, 在進(jìn)行厚煤層綜放方法進(jìn)行煤層開采時(shí), 由于區(qū)段煤柱的留設(shè), 使得礦井煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重, 同時(shí)隨著巷道進(jìn)一步開采使得煤柱尺寸增大, 浪費(fèi)量持續(xù)增大, 所以研究厚煤層綜放面煤柱寬度的合理尺寸對(duì)于維持巷道穩(wěn)定性, 提升礦井采煤率具有十分重要的意義[1], 本文以薛虎溝礦1209工作面為工程背景, 采用數(shù)值模擬及理論分析等方法, 對(duì)厚煤層堅(jiān)硬頂板區(qū)段煤柱的留設(shè)進(jìn)行研究, 為礦井地質(zhì)條件相類似工作面區(qū)段煤柱留設(shè)提供參考。

2 礦井概況及煤柱留設(shè)理論分析

薛虎溝礦位于山西省河津下化鄉(xiāng)陳家?guī)X村, 生產(chǎn)能力90×104t/a, 主采煤層為2#、10#煤層, 2#煤層的平均厚度為4.3m, 含煤系數(shù)為9.3%, 由于保護(hù)煤柱留設(shè)寬度較大, 造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

回采工作面采用的護(hù)巷煤柱一般可分為窄煤柱和寬煤柱兩種, 窄煤柱護(hù)巷是在采空區(qū)的邊緣布設(shè)一定寬度的窄煤柱, 從而降低巷道的應(yīng)力集中, 利用窄煤柱的承載力進(jìn)行巷道支護(hù), 但窄煤柱留設(shè)不合理時(shí), 會(huì)使得煤柱出現(xiàn)壓壞的情況, 此時(shí)巷道煤巖的穩(wěn)定性就無(wú)法得到保證, 巷道出現(xiàn)大幅度變形。而采用寬煤柱護(hù)巷時(shí), 既需要保證煤柱不會(huì)出現(xiàn)大面積塑性區(qū)破壞, 同時(shí)也需要保證資源浪費(fèi)量最小, 所以對(duì)區(qū)段煤柱的合理尺寸進(jìn)行研究。首先對(duì)區(qū)段寬煤柱的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析, 隨著煤柱寬度的增大, 煤柱的應(yīng)力分布情況也所有不同[3]。大致可分如下三種情形（如圖1所示）。

圖1 不同煤柱寬度應(yīng)力分布

由圖1可以看出, 當(dāng)區(qū)段煤柱綜放面回采完成后, 此時(shí)工作面的擾動(dòng)使得支撐壓力的影響距離和煤柱寬度分布呈現(xiàn)出三種趨勢(shì), 圖中B為煤柱寬度,L為支撐壓力影響范圍, 當(dāng)B＞2L時(shí), 此時(shí)的載荷分布呈現(xiàn)出對(duì)稱分布的情形, 對(duì)稱軸為煤柱的中心線, 應(yīng)力分布呈現(xiàn)出雙駝峰狀, 當(dāng)L＜B＜2L時(shí), 此時(shí)的應(yīng)力的載荷呈現(xiàn)出疊加趨勢(shì), 整體應(yīng)力分布呈現(xiàn)出馬鞍形, 當(dāng)B＜L時(shí), 此時(shí)的煤柱兩側(cè)應(yīng)力完全疊加, 應(yīng)力分布大幅度上升, 煤柱中間的應(yīng)力急劇增大, 此時(shí)應(yīng)力峰值呈現(xiàn)單峰態(tài)勢(shì), 長(zhǎng)時(shí)間承載后煤柱中間易發(fā)生失穩(wěn)破壞。從以上可以看出, 在長(zhǎng)期采動(dòng)影響下, 煤柱發(fā)生蠕變, 從而使得煤柱失穩(wěn), 造成巷道變形。為了分析合理煤柱寬度, 利用FLAC3D數(shù)值軟件對(duì)特厚煤層區(qū)段煤柱的合理寬度進(jìn)行分析[2]。

3 數(shù)值模擬分析

首先結(jié)合薛虎溝礦井地質(zhì)條件, 構(gòu)建數(shù)值模型, 建立模型長(zhǎng)寬高分別為394m、8m、285m, 在模型頂部施加覆巖自重, 經(jīng)過計(jì)算為5.4MPa的均布載荷, 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 整個(gè)模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分后共有66138個(gè)單元, 98334個(gè)節(jié)點(diǎn), 對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)參數(shù)設(shè)定, 根據(jù)頂?shù)装鍘r層巖性進(jìn)行力學(xué)參數(shù)設(shè)定, 設(shè)定完成后對(duì)模型寬度進(jìn)行設(shè)定, 分別選定煤柱寬度為8m、10m、13m、15m、20m和30m, 對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算, 由于模擬圖較多本文僅展示8m、15m和20m的云圖（如圖2所示）。

圖2 不同煤柱寬度煤柱垂直應(yīng)力分布云圖

由圖2所示可以看出, 在巷道開挖過程中, 巷道的原巖應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)重新分布。當(dāng)煤柱寬度為8m時(shí), 使得煤柱的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯, 應(yīng)力集中的區(qū)域較大, 當(dāng)煤柱寬度增大至15m時(shí), 此時(shí)藍(lán)色應(yīng)力集中區(qū)域的面積大幅度減小, 此時(shí)巷道煤柱內(nèi)部的應(yīng)力集中幾乎消失, 而在采空區(qū)側(cè), 此時(shí)的應(yīng)力集中區(qū)域無(wú)較大變化, 隨著煤柱寬度的進(jìn)一步增加, 應(yīng)力集中區(qū)域逐步降低, 應(yīng)力峰值出現(xiàn)在巷道側(cè)1m左右的位置, 在采空區(qū)側(cè)應(yīng)力峰值分布于2～3m的位置, 在煤柱寬度從8m增大至20m的過程中, 此時(shí)巷道的應(yīng)力峰值有了較大幅度的降低, 峰值從24.2MPa降低至9.2MPa[3]。

對(duì)不同煤柱回采期間的垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析, 將煤柱寬度8m、10m、13m、15m、20m、30m的垂直應(yīng)力分布情況繪制曲線（如圖3所示）。

從圖3可以看出, 在工作面回采過程中, 由于受到工作面采動(dòng)及采空區(qū)側(cè)向支撐壓力的作用, 使得煤柱在回采期間的應(yīng)力峰值較掘進(jìn)期間有了較大幅度的提升, 當(dāng)煤柱寬度為8m和10m時(shí), 此時(shí)的煤柱內(nèi)部應(yīng)力大致呈現(xiàn)出單峰的趨勢(shì), 應(yīng)力的最大值分別為47.4MPa和51.8MPa, 當(dāng)煤柱寬度增大至10m以上時(shí), 此時(shí)煤柱的內(nèi)部應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不對(duì)稱的雙峰形態(tài), 而應(yīng)力值較煤柱寬度小于10m時(shí)有了較大幅度的降低, 在煤柱寬度為15m時(shí), 此時(shí)的應(yīng)力峰值為37.5MPa, 此時(shí)煤柱內(nèi)部的應(yīng)力環(huán)境較為緩和, 而當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步的增大, 此時(shí)煤柱內(nèi)部的應(yīng)力峰值分別為煤柱寬度20m時(shí)27.5MPa, 煤柱寬度30m時(shí)的19.1MPa, 雖然隨著煤柱寬度增大煤柱內(nèi)部應(yīng)力及巷道應(yīng)力環(huán)境均有了大幅度的改善但會(huì)造成一定的資源浪費(fèi), 所以煤柱的合理寬度應(yīng)該設(shè)定為15～20m的范圍, 在此區(qū)段不僅可以保證巷道的穩(wěn)定性, 同時(shí)能夠避免造成大量的資源浪費(fèi)[4]。

圖3 不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布曲線

對(duì)煤柱內(nèi)部的塑性區(qū)變化規(guī)律進(jìn)行分析, 繪制出不同煤柱寬度下塑性區(qū)面積與煤柱面積的比值曲線（如圖4所示）。

圖4 不同煤柱寬度下塑性區(qū)面積與煤柱面積的比值曲線

從圖4可以看出, 當(dāng)煤柱寬度為8m和10m時(shí), 此時(shí)的煤柱內(nèi)部塑性區(qū)域面積均大于整體面積的60%, 同時(shí)在巷道側(cè)的塑性區(qū)域比值小于采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)域比值, 可以看出此時(shí)煤柱幾乎完全破壞, 在采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力環(huán)境更為惡劣, 當(dāng)煤柱寬度大于10m時(shí), 此時(shí)的整體煤柱內(nèi)部塑性區(qū)占煤柱整體面積的比值有所降低, 分別為28%、16%、7%、4%, 可以看出隨著煤柱寬度的增大, 此時(shí)煤柱內(nèi)部塑性區(qū)域面積有所降低, 同時(shí)降低的幅度逐步減小, 可以看出煤柱的寬度對(duì)于煤柱內(nèi)部塑性區(qū)影響較大, 當(dāng)煤柱寬度大于15m時(shí), 此時(shí)煤柱整體的塑性區(qū)分布能夠滿足要求, 區(qū)段煤柱維護(hù)巷道穩(wěn)定性作用得到保障, 所以煤柱寬度的選擇應(yīng)當(dāng)選定為15m[5]。

4 結(jié)論

（1）為了研究1209綜放工作面開采煤層區(qū)段煤柱的合理尺寸, 對(duì)寬煤柱支護(hù)巷道應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析, 為后續(xù)煤柱寬度的選擇提供依據(jù)。

（2）通過對(duì)不同煤柱寬度下煤柱垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn), 隨著巷道煤柱寬度的增大, 煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力有了明顯的減小, 在考慮資源浪費(fèi)情況下, 確定煤柱寬度15～20m時(shí)最佳。

（3）對(duì)不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部塑性區(qū)分布進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)隨著煤柱寬度增加, 煤柱內(nèi)部塑性區(qū)面積減小, 當(dāng)煤柱寬度為15m時(shí), 此時(shí)為經(jīng)濟(jì)安全合理寬度。