基于FLAC數(shù)值模擬的工作面小煤柱合理尺寸確定

郭子程

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

0 引言

小煤柱是保證相鄰兩工作面順利回采的隔離體，在生產(chǎn)過程中要經(jīng)歷順槽掘進、臨近工作面回采等階段，采用小煤柱護巷時由于多次擾動的作用，易出現(xiàn)巷道圍巖變形大、破碎度高、頂板穩(wěn)定性差等一系列礦壓現(xiàn)象，存在發(fā)生頂板事故和煤巖沖擊的安全隱患。針對這一問題，國內(nèi)許多學者及現(xiàn)場工程技術(shù)人員對小煤柱合理尺寸進行了深入研究[1 -4]。合理的小煤柱尺寸可以確保煤柱自身及相鄰巷道的穩(wěn)定性，小煤柱留設(shè)尺寸過大則浪費煤炭資源，留設(shè)尺寸過小則其剛度越小，在相同荷載下煤柱的變形越大，過大的變形將造成煤體劣化、力學特性的降低、支護費用增大[5 -8]。保證小煤柱開采安全高效生產(chǎn)的必要條件是掌握小煤柱在工作面開采過程中的受力特征、變形特征、失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性控制原理，并掌握煤柱和順槽穩(wěn)定性的關(guān)系，可以據(jù)此制定科學合理的煤柱留設(shè)尺寸以及保證巷道穩(wěn)定性的控制方法[9 -12]。

基于此，以高河煤礦綜放長壁E2311工作面順槽煤柱穩(wěn)定性特征為研究對象，分析采用不同寬度小煤柱時相鄰巷道的垂直應力、水平位移以及塑性區(qū)變化情況，確定E2311工作面小煤柱最佳留設(shè)寬度，以提出維護煤柱穩(wěn)定的技術(shù)方案。

1 工程概況

高河能源煤礦E2311工作面所采煤層為3號煤層，煤層埋深372.0～425.2 m，賦存于二疊系山西組地層中，為陸相湖泊型沉積。該工作面上方為耕地，北面為1號村，東面為晉能長治熱電有限公司，東南角為5號村，處于向斜的東翼，東高西低，煤層厚度穩(wěn)定，煤厚6.19～6.85 m，平均6.5 m。全煤間夾有一層碳質(zhì)泥巖夾矸，厚度0.05 m～0.25 m，平均0.20 m。煤層圍巖及其特征情況見表1。

2 數(shù)值模擬

2.1 小煤柱留設(shè)方案

小煤柱留設(shè)尺寸的大小影響煤炭資源的回采率以及相鄰巷道的穩(wěn)定性。所以，選取最佳留設(shè)寬度的煤柱，才能帶來最優(yōu)的經(jīng)濟效益。在參考眾多學者的研究成果及結(jié)合現(xiàn)場成功經(jīng)驗后，在進行小煤柱留設(shè)寬度數(shù)值模擬研究時，本文主要針對寬度為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、10 m以及15 m的方案。

表1 煤層圍巖及其特征情況

2.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)E2311工作面現(xiàn)場實際地質(zhì)條件，采用FLAC3D有限差分軟件建立三維計算模型，研究不同方案對相鄰巷道圍巖的影響情況。建立的計算模型50 m×50 m×50 m(長×寬×高)，由于平均煤層傾角為3°，故不考慮煤層傾角。模型的左右前后4個側(cè)面為單約束邊界，僅施加水平方向的約束，即邊界水平位移為零，只允許邊界結(jié)點沿垂直方向運動；模型底部為全約束邊界。按照400 m的埋深，原巖自重應力作用在上部邊界上。整體模型示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬整體模型Fig.1 Overall model of numerical simulation

2.3 數(shù)值模擬分析

圖2為不同方案條件下小煤柱寬度對相鄰巷道的垂直應力分布云圖。由圖2可知，當留設(shè)寬度為3 m、4 m方案時，相鄰巷道圍巖的應力集中程度很大，垂直應力值變化很大，相鄰巷道不穩(wěn)定；采用留設(shè)寬度為5 m、6 m、7 m及8 m的方案時，相鄰巷道圍巖應力程度減小，且垂直應力變化相對穩(wěn)定，變化幅度很小，有利于相鄰巷道的穩(wěn)定；采用留設(shè)寬度為10 m及15 m的方案時，相鄰巷道圍巖的應力集中程度和垂直應力值隨寬度的增加進一步加大，說明留設(shè)10 m、15 m的煤柱正處于側(cè)向支承應力集中區(qū)和超前支承壓力較大區(qū)的范圍內(nèi)，不利于相鄰巷道的穩(wěn)定。當工作面留設(shè)不同寬度的煤柱時，應力值的變化是先增大，然后降低，趨于穩(wěn)定再繼續(xù)增大，說明留設(shè)不同寬度的煤柱所具備的承載力是有一定范圍的，超出這個范圍，煤柱破壞的同時也會極大程度上降低其承載力，圍巖周邊應力會重新分布變化。因此，煤柱寬度對應力分布影響較大。煤柱較小時(3 m和4 m)應力分布近似呈三角形，煤柱稍大時近似呈梯形分布。煤柱寬度對最大應力影響不大。在煤柱兩側(cè)，均出現(xiàn)應力升高區(qū)，分別是受到回風順槽掘進和上區(qū)段工作面回采的影響；三角形分布是兩側(cè)垂直應力峰值疊加的結(jié)果，梯形分布中部應力較低，是因為受到的采動和掘進影響較小的結(jié)果。

圖2 不同方案條件下相鄰巷道的垂直應力分布云圖Fig.2 Cloud map of vertical stress distribution of adjacent roadways under different scheme conditions

圖3為不同方案條件下小煤柱寬度對相鄰巷道的水平位移分布云圖。由圖3可以看出，從3 m方案到15 m方案的變化過程中，水平位移呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，當小煤柱寬度為3 m、4 m時，煤柱中部位移急劇變化并且數(shù)值很大，煤柱穩(wěn)定性很差；當小煤柱寬度為5 m、6 m、7 m及8 m時，煤柱中部位移比較穩(wěn)定，數(shù)值較??；當煤柱為10 m、15 m時，煤柱中部位移又顯著變大，不利于相鄰巷道的穩(wěn)定。因此，煤柱向巷道內(nèi)的位移隨煤柱寬度的增加而增大，達到一定程度后再由大變小，然后趨于穩(wěn)定。煤柱表面向巷道內(nèi)的水平位移特征：未見煤柱整體向采空區(qū)移動；4 m煤柱向巷道內(nèi)的位移量最大，3 m煤柱向巷道內(nèi)的位移量最小，其它寬度煤柱位移量差別不大。3 m煤柱中部位移急劇變化，沒有穩(wěn)定部分，煤柱達到4 m中部位移較小且穩(wěn)定，隨煤柱寬度的增加，穩(wěn)定的區(qū)域也在增加。

圖3 不同方案條件下相鄰巷道的水平位移分布云圖Fig.3 Cloud map of horizontal displacement distribution of adjacent roadways under different schemes conditions

圖4為不同方案條件下小煤柱寬度對相鄰巷道的塑性區(qū)變化情況分布圖。由圖4可知，當采用3 m、4 m方案時，煤柱自身以及相鄰巷道均產(chǎn)生大范圍的塑性破壞區(qū)域，并且塑性破壞區(qū)大部分以及相互貫通，巷道有垮塌危險；當采用5～10 m方案時，煤柱及相鄰巷道塑性區(qū)范圍減小，仍處于塑性破壞狀態(tài)，但此時巷道周邊的最大位移主要集中在頂板內(nèi)，同時工作面實體側(cè)煤層會快速承擔相鄰巷道所受的應力峰值，故煤柱不會被完全壓垮；當采用15 m方案時，煤柱內(nèi)存在5 m的彈性核尺寸，但彈性核尺寸較小，不利于相鄰巷道的穩(wěn)定，另一方面煤柱內(nèi)存在的較大應力峰值不能發(fā)生轉(zhuǎn)移至工作面實體側(cè)的煤層，會加大煤柱和相鄰巷道的穩(wěn)定性控制難度。

圖4 不同方案條件下小煤柱寬度對相鄰巷道的塑性區(qū)變化情況分布圖Fig.4 Distribution of small coal pillar width change on plastic zone of adjacent roadway under different schemes conditions

由上述垂直應力場、水平位移場、塑性區(qū)變化情況以及經(jīng)濟角度綜合考慮，煤柱過于窄小，雖可有效提高煤炭資源回收率，但鄰近工作面回采時煤柱兩側(cè)塑性破壞會發(fā)生貫通，導致煤柱失穩(wěn)變形，所以合理的煤柱寬度是確定沿空巷道位置的關(guān)鍵，既要最大化煤炭采出率又要保證巷道圍巖穩(wěn)定性。因此，采用留設(shè)寬度為5～7 m的小煤柱方案時，才能在保證相鄰巷道及煤柱自身穩(wěn)定的同時最大化地提高礦井生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。

3 工程實踐

3.1 相鄰巷道最終支護方案

為了確保相鄰巷道的穩(wěn)定性，相鄰巷道采用錨網(wǎng)索支護方式，巷道斷面尺寸及支護形式如圖5所示。高強錨索采用高強度低松弛預應力鋼絞線，公稱直徑22 mm，錨索長度均為8.3 m，極限破斷力不低于55 t，預緊力26 t；采用弧形高強錨索托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，承載能力不低于55 t，每根錨索采用3支錨固劑，1支規(guī)格為CK2335，2支規(guī)格為Z2360；左旋無縱肋高強螺紋鋼錨桿型號φ22-M24-2400 mm，極限拉斷力239 kN，錨桿托板為弧形高強度托盤，規(guī)格為170 mm×170 mm×12 mm，力學性能與錨桿桿體一致，錨桿采用端頭樹脂錨固，每根錨桿采用2支錨固劑，一支規(guī)格為CK2335，另一支規(guī)格為Z2360，錨桿抗拔力不小于19 t，擰緊力矩不小于350 N·m；金屬網(wǎng)由10號鉛絲加工制作，網(wǎng)孔為30 mm×30 mm；鋼筋梯子梁采用直徑14 mm圓鋼加工而成，長度及限位孔間距根據(jù)錨桿布置參數(shù)加工；W短鋼帶型號為BHW-280-2.75，長度為300 mm，每根錨桿一個鋼帶；工作面各順槽每隔50 m全斷面設(shè)置一道雙抗網(wǎng)，圖中未標注的抹角半徑統(tǒng)一為斜切角3 m。

圖5 相鄰巷道斷面支護Fig.5 Section support of adjacent roadways

3.2 礦壓監(jiān)測分析

為驗證留設(shè)5～7 m寬度小煤柱的合理性，工程實踐選擇在高河煤礦E2311工作面留設(shè)6 m寬煤柱，并在相鄰巷道中設(shè)立礦壓觀測站，監(jiān)測相鄰巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ七M量。相鄰巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ七M量，如圖6所示。

圖6 10月份相鄰巷道頂?shù)装寮皟蓭拖鄬σ七M量Fig.6 Relative movement of roof，floor and both sides of adjacent roadways in october

相鄰巷道測站在100 m范圍之外每天以微小的變形量變化，變形量為0～5 mm；隨著工作面向測站推進，在進入距離工作面100 m(3 d)內(nèi)，圍巖變形速度出現(xiàn)顯著變化，兩幫變形速度為5～12 mm/d，頂?shù)装遄冃嗡俣葹?～10 mm/d。局部區(qū)段日移近量較大，分析認為屬于周期來壓造成；整個觀測期間兩幫累計變形量173 mm，頂?shù)装謇塾嬜冃瘟?60 mm，頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平?，圍巖變形整體處于可控狀態(tài)，變形量隨著工作面距離測站的距離減小而增大。距離工作面50 m范圍內(nèi)的頂板有一定量的下沉，下沉量比較小，50 m以外的頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，留設(shè)6 m寬的小煤柱能夠滿足相鄰巷道安全生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

(1)煤柱寬度對應力分布影響較大。煤柱較小時(3 m和4 m)應力分布近似呈三角形，煤柱稍大后近似呈梯形；三角形分布是兩側(cè)垂直應力峰值疊加的結(jié)果，梯形分布中部應力較低，是因為受到的采動和掘進影響較小的結(jié)果。

(2)通過分析不同煤柱寬度時塑性區(qū)分布、應力分布及巷道的圍巖變形規(guī)律確定合理小煤柱寬度范圍為5～7 m。

(3)通過工程試驗得到，整個觀測期間兩幫累計變形量173 mm，頂?shù)装謇塾嬜冃瘟?60 mm，相鄰巷道的圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，小煤柱較為完整，仍存在較高的承載力，進一步證明高河煤礦E2311工作面留設(shè)6 m寬度的小煤柱是可行的，能對圍巖變形起到有效控制，確保礦井安全高效的生產(chǎn)，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。