厚煤層綜放工作面停采煤柱合理寬度確定

牛小波，崔夏瑜

(國(guó)家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦， 陜西 榆林 719300)

神東煤炭集團(tuán)某礦主要開(kāi)采侏羅系3#與4#煤層，4#煤層歷史停采工作面距離盤區(qū)大巷的最近距離為82 m，最遠(yuǎn)達(dá)302 m，單個(gè)工作面末采階段留設(shè)的停采保護(hù)煤柱內(nèi)的煤炭?jī)?chǔ)量為15.28～43.47萬(wàn)t，若煤柱寬度每減小10 m則可采出約1.5萬(wàn)t煤炭資源，針對(duì)4#煤層歷史工作面停采煤柱尺寸過(guò)大導(dǎo)致遺留煤量多，以該煤層8202工作面為試點(diǎn)，對(duì)此工作面在末采階段的停采煤柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

1 工作面概況

8202工作面標(biāo)高930～970 m，平均950 m,走向長(zhǎng)度2 265 m,傾向長(zhǎng)度180.5 m,傾角3°,面積408 832 m2. 工作面煤層最大厚度7.6 m、最小厚度4.1 m、平均厚度6 m，變化平穩(wěn)，有2～4層0.10～0.5 m的夾矸，工作面范圍內(nèi)煤層走向東西、傾向北、傾角3°，為近水平煤層；煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層理、節(jié)理復(fù)雜，硬度f(wàn)=3，對(duì)回采的影響較小，煤種為煙煤、煤質(zhì)為弱黏煤。8202工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤法，自然垮落法管理采空區(qū)頂板，機(jī)采高度3.2 m，放煤高度2.9 m，采放比為1∶0.91.

2 數(shù)值模型建立

4#層8202工作面及其采空區(qū)下部對(duì)應(yīng)的為3#層待開(kāi)采侏羅系煤層，平均間距為25 m，4#層3條大巷與3#層3條大巷垂直錯(cuò)距布置，由于3#層與4#層相關(guān)大巷集中布置距離較近，空間關(guān)系復(fù)雜，為分析8202工作面在末采期間的采動(dòng)影響在工作面前方的分布與對(duì)回風(fēng)巷道的破壞影響，根據(jù)不同屬性區(qū)域的煤巖體和其他巷道的基線框架邊界生成獨(dú)立的邊界面，最后運(yùn)用工具或命令將所有邊界面統(tǒng)一生成多重曲面。利用Griddle插件再分別進(jìn)行GI、GS、GV處理對(duì)應(yīng)形成基礎(chǔ)網(wǎng)格、銜接網(wǎng)格、面網(wǎng)格、體網(wǎng)格并選擇適合模型后期計(jì)算的網(wǎng)格邊緣長(zhǎng)度和密度，確定體網(wǎng)格并在網(wǎng)格工具檢查選項(xiàng)中確定網(wǎng)格無(wú)退化的網(wǎng)格面、無(wú)外漏邊緣等條件滿足后導(dǎo)出，經(jīng)過(guò)Griddle插件網(wǎng)格化后的體網(wǎng)格在Rhino操作界面中最終選擇輸出對(duì)應(yīng)格式為FLAC3D網(wǎng)格體模型[1]，使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件讀取導(dǎo)入后即可得到8202工作面末采階段完整的巷道、煤層、巖層各分組數(shù)值計(jì)算模型。

8202工作面與巷道空間位置圖見(jiàn)圖1. 由圖1可知，8202回采工作面在回采過(guò)程中始終與其對(duì)應(yīng)的2202進(jìn)風(fēng)巷、2201回風(fēng)巷垂直，由于3條平行的大巷與2201回風(fēng)巷間呈約102°夾角，故在回采過(guò)程中垂直于兩順槽的工作面距4#層回風(fēng)大巷的距離在2201巷方向上為D41遠(yuǎn)小于2202巷處的距離D42，因此在末采階段8202工作面的超前影響范圍主要集中靠近回風(fēng)順槽2201巷一側(cè)的回風(fēng)大巷，必須分析8202工作面在末采階段的超前影響水平距離D來(lái)綜合判斷留設(shè)煤柱寬度，達(dá)到維護(hù)4#層回風(fēng)大巷與3#層回風(fēng)大巷穩(wěn)定性的目的，見(jiàn)圖2.

圖1 8202工作面與巷道空間位置圖

圖2 靠近2201巷側(cè)垂直于工作面方向剖面圖

3 8202工作面采動(dòng)特征分析

3.1 沿工作面回采方向支承壓力變化特征

由于建立的8202工作面三維等效末采數(shù)值模型長(zhǎng)為200 m，4#層回風(fēng)大巷距模型邊界的最近距離為132.9 m，根據(jù)8202工作面周期來(lái)壓步距在16～24 m，綜合考慮模型尺寸、分步開(kāi)挖計(jì)算、計(jì)算效率等因素的影響，計(jì)劃共分4次開(kāi)挖，每次開(kāi)挖步距為25 m，最后一次開(kāi)挖后總的回采距離為4×25 m，此時(shí)距離4#層回風(fēng)大巷的最近距離為(D41)32.9 m，其中y=81、51、21分別為工作面中上段煤層處工作面前方的3條監(jiān)測(cè)線，y=81是工作面上部靠近2201巷處的監(jiān)測(cè)線，y=21為工作面中部的監(jiān)測(cè)線。工作面回采25 m、50 m、75 m、100 m時(shí)的超前支承壓力圖分別見(jiàn)圖3，4.

圖3 回采25 m、50 m時(shí)超前支承壓力圖

圖4 回采75 m、100 m時(shí)超前支承壓力圖

根據(jù)8202工作面距4#層回風(fēng)大巷的距離D41(靠近回風(fēng)巷側(cè)停采煤柱長(zhǎng)度)分別為107.9 m(回采25 m)、82.9 m(回采50 m)、57.9 m(回采75 m)、32.9 m(回采100 m)得到：工作面前方的超前支承壓力隨工作面的回采推進(jìn)動(dòng)態(tài)向工作面前方移動(dòng)，正常回采階段回采25 m時(shí)，在工作面前方0～9 m超前支承壓力迅速增大，同時(shí)在工作面前方6～9 m處上升至最大值，并且超前支承壓力應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.54～3.63.

當(dāng)回采25 m時(shí)根據(jù)工作面前方3 m范圍內(nèi)出現(xiàn)低于原巖應(yīng)力的區(qū)域減壓區(qū)，工作面前方一定深度的區(qū)域范圍由于煤體的采出導(dǎo)致工作面前方煤體的原巖應(yīng)力狀態(tài)改變，原來(lái)的三維受壓狀態(tài)由于工作面處煤體的采出導(dǎo)致垂直于工作面方向的擠壓變?nèi)?，所以在豎直方向上的垂直應(yīng)力在工作面前方煤體松動(dòng)區(qū)域范圍內(nèi)低于原巖應(yīng)力,呈現(xiàn)出減壓區(qū)。

工作面回采50 m時(shí)在工作面前方0～7 m超前支承壓力迅速增大，并且在6～7 m超前支承壓力上升到最大值，其中應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.72～3.36，此時(shí)減壓區(qū)在工作面前方2 m深的實(shí)體煤范圍內(nèi)，正?；夭呻A段不同回采距離時(shí)，位于工作面前方的增壓區(qū)在工面前方約50 m范圍處，遠(yuǎn)離工作面超前支承壓力逐漸趨于平緩。

回采75 m時(shí)超前支承壓力在工作面前方迅速上升，7 m處增至最大值，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3.27，同時(shí)工作面前方2 m范圍內(nèi)的實(shí)體煤中表現(xiàn)出減壓區(qū)，并且在工作面前方4～7 m垂直應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)至最大值，超前支承壓力達(dá)到最大值后，在工作面前方7～35 m處呈反比例函數(shù)，超前支承壓力隨遠(yuǎn)離工作面的距離而減小；遠(yuǎn)離工作面大于35 m超前支承壓力趨于穩(wěn)定，但在靠近2201回風(fēng)巷側(cè)測(cè)線y=81測(cè)得超前支承壓力的數(shù)值均大于工作面中部以及其他部位。

由回采100 m時(shí)工作面超前支承壓力可知，回采100 m時(shí)靠近2201回風(fēng)巷側(cè)超前支承壓力在工作面前方9 m處增大到峰值，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到3.18，達(dá)到峰值后工作面后方10～30 m仍處于增壓區(qū)遞減范圍內(nèi)，此時(shí)工作面距回風(fēng)大巷的最近距離為32.9 m，原因是數(shù)值模型中4#層回風(fēng)大巷受到干擾，并非處于工作面超前支承壓力增壓區(qū)的減壓區(qū)域內(nèi)。

3.2 支承壓力與停采煤柱寬度分析

8202工作面在回采過(guò)程中煤柱寬度的減小，導(dǎo)致支承壓力前移，此時(shí)8202工作面停采煤在回采方向上是兩側(cè)采空，一側(cè)是采空區(qū)另一側(cè)是盤區(qū)大巷，回采距離引起的支承壓力的疊加距離分布與停采煤柱的寬度主要有以下情形：

當(dāng)回采距離為25 m和50 m時(shí)，停采煤柱的寬度分別為107.9 m、82.9 m，此時(shí)可知整個(gè)工作面的塑性區(qū)寬度與超前支承壓力均未影響盤區(qū)回風(fēng)大巷，在遠(yuǎn)離工作面40 m左右超前支承壓力很穩(wěn)定并接近原巖應(yīng)力。當(dāng)回采距離為75 m時(shí)，煤柱的寬度為57.9 m，此時(shí)超前支承壓力在工作面前方35～42 m趨于穩(wěn)定接近原巖應(yīng)力，支承壓力未達(dá)到大范圍的疊加，煤柱中間疊加部分略大于原巖應(yīng)力，并且支承壓力沿煤柱寬度方向呈馬鞍形分布，煤柱中部仍舊存在彈性變形區(qū)[2]. 當(dāng)回采100 m時(shí)，煤柱的寬度為32.9 m，此時(shí)由于工作面處超前支承壓力與盤區(qū)大巷側(cè)向支承壓力的相互疊加，超前支承壓力的峰值以及影響區(qū)域幾乎覆蓋住巷道的側(cè)向支承壓力峰值，馬鞍形幾乎消失，并且煤柱中央的彈性區(qū)域已消失，其中部可能因長(zhǎng)期處于塑性流動(dòng)狀態(tài)而遭到破壞。

3.3 停采煤柱寬度計(jì)算

通過(guò)分階段模擬8202工作面末采階段回采期間工作面前方實(shí)體煤中超前支承壓力的分布，分析得到工作面回采期間工作面前方均存在0～2 m的減壓區(qū)，工作面超前支承壓力的最大值位于工作面前方7～9 m處；結(jié)合極限平衡理論，塑性區(qū)的寬度即支承壓力峰值與煤體邊緣間的距離x0[2]為：

(1)

式中，K為應(yīng)力集中系數(shù),取3；p1為支架對(duì)煤幫的阻力,MPa；m為煤層的開(kāi)采厚度,取3.3 m；C為煤體的黏聚力,取0.623 MPa；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，取31.08°；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因數(shù)，取0.9；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù);γ為煤巖體容重,取1.46 t/m3；H為煤層厚度,取6.1 m.

得到工作面前方極限平衡條件下塑性區(qū)寬度x0=9.52 m，同理根據(jù)4#層盤區(qū)大巷側(cè)向支承壓力的應(yīng)力集中系數(shù)K=1.4可計(jì)算出4#層盤區(qū)大巷的塑性區(qū)寬度為x1=4.25 m. 結(jié)合不同階段模擬的回采距離條件下的塑性區(qū)寬度可知靠近工作面區(qū)域的支承壓力的峰值與工作面間的距離均在7～9 m，與彈塑性條件下計(jì)算得到的塑性區(qū)寬度x0=9.52 m相差2.52 m，也能夠進(jìn)一步說(shuō)明該條件下數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果方向上的一致性。

停采煤柱的寬度計(jì)算公式：

B=x0+2m+x1

(2)

其中：m為煤層平均厚度6 m，結(jié)合式(1)計(jì)算得到的x0=9.52、x1=4.25，可以得到最小的停采煤柱寬度應(yīng)為25.77 m. 結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，有效停采煤柱寬度在32.9～57.9 m；結(jié)合彈塑性理論計(jì)算得到停采煤柱的寬度大于25.77 m，所以停采煤柱寬度的合理范圍應(yīng)當(dāng)是在32.9～57.9 m.

4 穩(wěn)定性分析

根據(jù)所記錄的8202工作面末采階段數(shù)值計(jì)算模型各階段的最大不平衡力變化情況可知，在回采25 m時(shí)對(duì)模型整體的擾動(dòng)較小，回采范圍變大時(shí)模型中產(chǎn)生的最大不平衡力變大，即模型中最大內(nèi)外應(yīng)力差值越大對(duì)巷道的擾動(dòng)越大，回采75 m時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)不平衡力最大，回采至100 m時(shí)回采產(chǎn)生的最大不平衡力有所下降?；夭呻A段不平衡力變化圖見(jiàn)圖5.

圖5 回采階段不平衡力變化圖

回采75 m時(shí)，工作面距4#層回風(fēng)大巷最近距離為57.9 m，4#層回風(fēng)大巷位于8202工作面超前支承壓力增壓區(qū)的穩(wěn)定范圍邊界處，同時(shí)回風(fēng)巷處于工作面最大超前支承壓力增壓區(qū)的減小范圍內(nèi)，且此時(shí)工作面對(duì)4#層的回風(fēng)大巷頂板的影響都較小，所以在8202工作面末采期間要確保回風(fēng)大巷的穩(wěn)定，則回采距離應(yīng)當(dāng)控制在小于75 m的范圍內(nèi)，此時(shí)工作面距4#層回風(fēng)大巷的距離D41應(yīng)大于57.9 m.

根據(jù)4#層8202工作面現(xiàn)場(chǎng)，最終留設(shè)的煤柱寬度靠近2201回風(fēng)巷側(cè)D41=60 m，保證了4#層8202工作面后期回撤通道的形成與撤架工作的安全實(shí)施，最終保證了停采煤柱的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

以4#層8202工作面為研究對(duì)象，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)工作面停采煤柱寬度超前支承壓力場(chǎng)和塑性區(qū)范圍進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值條件下較為合理的停采煤柱寬度為 32.9 m～57.9 m，經(jīng)穩(wěn)定性分析，8202工作面在距回風(fēng)大巷60 m處停采能夠確保停采煤柱的穩(wěn)定性。