平崗煤礦回采巷道煤柱留設(shè)尺寸優(yōu)化研究

馬平云 MA Ping-yun

（黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150000）

0 引言

隨著礦井開采深度增加，礦井地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，極易受到高地壓、高溫以及采空區(qū)火災(zāi)防治等因素的影響，針對以上問題，無煤柱開采技術(shù)雖為當(dāng)前主流開采技術(shù)，但在此條件下會(huì)受到一定的限制，留設(shè)保護(hù)煤柱仍是較為常見的一種方式。平崗礦曾嘗試過沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，但因正?；夭善陂g，巷道變形量大、返修次數(shù)多、返修與維護(hù)成本高，且影響回采工作面正?；夭?，故只能采用留煤柱的方式布置接續(xù)面回采巷道。因此，如何在保證回采巷道穩(wěn)定的狀態(tài)下，盡可能減少煤柱的留設(shè)寬度成為必須思考的問題。

國內(nèi)外學(xué)者對此展開了一系列研究，柏建彪[1]分析了支護(hù)強(qiáng)度和煤柱寬度煤柱穩(wěn)定性的影響，表明高強(qiáng)度錨桿對窄煤柱的整體強(qiáng)度提高具有重大意義，尤其是對軟煤更甚。并提出軟煤和中硬煤的合理煤柱寬度。李金剛等[2]通過利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬不同煤柱寬度情況下沿空巷道側(cè)向支承壓力、垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、垂直位移、水平位移的分布特征，確定了沿空巷道合理布置位置及合理煤柱尺寸。田建設(shè)等[3]分析巷道巷間煤柱應(yīng)力分布規(guī)律，確定深部高應(yīng)力巷間煤柱側(cè)向支承壓力分布特征，并模擬分析工作面多次回采影響下的不同寬度煤柱應(yīng)力場分布特征，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)確定深部高應(yīng)力條件下合理巷間煤柱寬度。常瀚文等[4]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，計(jì)算得出煤柱的合理寬度，進(jìn)行對比分析得出護(hù)巷煤柱的合理留設(shè)寬度。并進(jìn)行工程實(shí)踐，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，確定的護(hù)巷煤柱寬度和支護(hù)參數(shù)圍巖控制效果較好，煤柱相對穩(wěn)定。王寅等[5]通過理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的研究方法，研究了回采巷道煤柱不同尺寸對回采巷道圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明：采動(dòng)應(yīng)力及不同煤柱尺寸對巷道圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律具有顯著影響。且根據(jù)理論計(jì)算結(jié)合數(shù)值模擬得到合理的煤柱寬度。

上述研究在煤柱合理留設(shè)尺寸的確定方面取得了不少成果，但針對平崗礦復(fù)雜的地質(zhì)條件來說，這些研究成果是否適用，還需進(jìn)一步的探索，據(jù)此，本文提出開展平崗礦33#煤層合理留設(shè)尺寸優(yōu)化研究，保證圍巖穩(wěn)定的同時(shí)為礦井最大限度減少煤炭損失提供理論和技術(shù)支持，同時(shí)也為同類條件下煤柱合理留設(shè)尺寸的確定提供參考。

1 地質(zhì)概況

33#煤層右一面位于平崗煤礦底部南翼采區(qū)，回采區(qū)域上方無采空區(qū)。工作面與地表垂深為650～680m。走向長度405m，傾向長度124m，平均傾角18°，煤層平均厚度為2.1m。工作面采用走向長壁后退式采煤法。巷道斷面為梯形，凈斷面尺寸：寬為4.0m，中高為2.55m。凈斷面面積為10.2m2。煤層頂?shù)装迩闆r為：直接頂和直接底均為粉砂巖，厚度為9.6m 和8.4m。

2 煤柱合理留設(shè)尺寸理論分析

煤柱留設(shè)尺寸既與回采巷道圍巖穩(wěn)定性和布置位置有關(guān)，也對礦井資源采出率有影響。煤柱合理留設(shè)尺寸的確定既決定巷道與回采空間之間的水平距離，也會(huì)使工作面回采后引起的側(cè)向支承壓力對巷道的穩(wěn)定性和煤柱的承載能力產(chǎn)生影響。

當(dāng)煤柱一側(cè)為上區(qū)段回采工作面回采后成的采空區(qū)時(shí)，煤柱的臨側(cè)兩邊均會(huì)形成一定范圍的塑性變形區(qū)。煤柱彈塑性區(qū)的分布形式為兩側(cè)塑性區(qū)，中間彈性區(qū)。在這個(gè)變形范圍內(nèi)，對塑性區(qū)寬度進(jìn)行計(jì)算[4，6]。

煤柱計(jì)算公式[7]為：B=X1+X2+X3

式中：X1—采空區(qū)側(cè)煤體中的塑性區(qū)寬度，m；X2—錨桿的有效長度，m；X3—保持煤柱穩(wěn)定的安全寬度，m。

根據(jù)極限平衡理論，煤柱采空側(cè)塑性區(qū)寬度X1為：

其中，側(cè)壓系數(shù)為：

化簡得：

式中：h—工作面煤層開采厚度，m；

φ—內(nèi)摩擦角，°；

c0—黏聚力，MPa；

k—應(yīng)力集中系數(shù)；

H—埋深；

p0—煤幫支護(hù)阻力。

根據(jù)地質(zhì)條件及力學(xué)參數(shù)測試，可知工作面煤層開采厚度為2.1m，內(nèi)摩擦角為30°，粘聚力為1.51MPa，應(yīng)力集中系數(shù)取1.5，埋深取660m，煤幫支護(hù)阻力為0.5MPa，錨桿有效長度X2=1.74m。保持煤柱穩(wěn)定的安全寬度X3，按照經(jīng)驗(yàn)?。?.3～0.5）（X1+X2）。根據(jù)公式得到塑性區(qū)寬度為X1=2.74m，安全寬度X3為1.12～1.87m，因此，煤柱留設(shè)寬度為5.83～6.72m。

3 不同煤柱寬度數(shù)值模擬

FLAC3D軟件是ITASCA 公司研發(fā)的有限差分計(jì)算軟件，具有二維算法和三維算法兩種版本。在地下工程應(yīng)用中有出色的模擬計(jì)算效果，能很好地分析出工程中連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)，在世界范圍的工程研究中有廣泛的應(yīng)用[8]。

為確定煤柱合理留設(shè)寬度，依據(jù)工程背景地質(zhì)條件，采用FLAC3D軟件建立不同煤柱寬度（3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m）數(shù)值模型，對不同煤柱寬度下圍巖應(yīng)力及塑性破壞特征進(jìn)行分析。

3.1 不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布

為揭示不同煤柱寬度對圍巖應(yīng)力分布的影響，對不同煤柱寬度下巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 不同煤柱寬度圍巖應(yīng)力云圖

由圖1（a）～（h）可知：

煤柱寬度為3m，煤柱內(nèi)最大支承壓力為5MPa，煤柱內(nèi)無明顯應(yīng)力集中，實(shí)體煤側(cè)支承壓力峰值為30MPa；煤柱寬度為4m，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中峰值為8.5MPa，實(shí)體煤側(cè)支承壓力峰值為30.35MPa；煤柱寬度為5m，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中峰值為12.5MPa，實(shí)體煤側(cè)最大支承壓力為31.02MPa；煤柱寬度為6m，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中峰值為18.75MPa，實(shí)體煤側(cè)最大支承壓力為30.11MPa；煤柱寬度為7m，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中峰值為25.6MPa，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中峰值為30.03MPa；煤柱寬度為8m，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中峰值為34.51MPa，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中峰值為26.5MPa；煤柱寬度為9m，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中峰值為36.19MPa，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中峰值為27.5MPa；煤柱寬度為10m 與9m 相比時(shí)，10m 煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度明顯大于煤柱9m，且影響范圍也較大。

為量化分析不同煤柱寬度巷道圍巖應(yīng)力分布差異，對不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，可知煤柱寬度在3～6m 范圍，隨煤柱寬度增加，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中峰值大小略有降低，峰值位置不變；煤柱內(nèi)應(yīng)力集中峰值逐漸增加，由5MPa 增加至12.5MPa，但增加幅度較小，且峰值位置由巷幫向煤柱內(nèi)部轉(zhuǎn)移。煤柱寬度在7～10m 范圍，隨煤柱寬度增加，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力集中峰值大小略有降低，峰值位置不變；煤柱內(nèi)應(yīng)力集中峰值增加幅度較大，由16.1MPa 增加至31.5MPa，且峰值位置由巷幫煤柱淺部向煤柱深部轉(zhuǎn)移。由此可得，煤柱在5～7m 范圍內(nèi)，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力峰值較大，但距巷幫距離較遠(yuǎn)；煤柱內(nèi)應(yīng)力集中峰值較小，且距巷幫距離較遠(yuǎn)，因此，可得煤柱寬度5～7m 較為合理。

3.2 不同煤柱寬度塑性破壞特征

為揭示不同煤柱寬度對圍巖塑性破壞特征的影響，對不同煤柱寬度下巷道圍巖塑性區(qū)云圖進(jìn)行分析，不同煤柱寬度塑性區(qū)云圖如圖2 所示。

圖2 不同煤柱寬度塑性破壞云圖

由圖2 可知，隨煤柱寬度由3m 增加至7m，煤柱內(nèi)塑性破壞范圍逐漸增加，巷道上方頂板破壞范圍逐漸減小，說明煤柱寬度越大，其承載性能越高，塑性區(qū)分布范圍也越小，巷道范圍破壞情況有所好轉(zhuǎn)。當(dāng)煤柱寬度在8～10m范圍，受采動(dòng)應(yīng)力影響較為強(qiáng)烈，煤柱塑性破壞范圍較大，煤柱內(nèi)承載力也越大，同時(shí)考慮到資源浪費(fèi)的問題，不建議選擇。由此得出，通過分析不同煤柱寬度塑性破壞情況，得出煤柱寬度在5～7m 較為合理。

結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果綜合分析可知，當(dāng)煤柱的合理留設(shè)尺寸在6m 時(shí)，巷道圍巖較為穩(wěn)定。

4 結(jié)論

文章采用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算煤柱的合理尺寸，建立模型，模擬不同煤柱寬度下圍巖應(yīng)力及塑性破壞特征并進(jìn)行分析，得出煤柱合理寬度。

①通過極限平衡理論計(jì)算可得出煤柱塑性區(qū)寬度為2.74m，煤柱尺寸在5.83～6.72m。

②通過數(shù)值模擬分析不同煤柱寬度圍巖應(yīng)力及塑性破壞特征，可得煤柱在5～7m 范圍內(nèi)時(shí)，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力峰值較大，但距巷幫距離較遠(yuǎn)，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中峰值較小，且距巷幫距離較遠(yuǎn)。說明煤柱寬度在5～7m 較為合理。當(dāng)煤柱寬度由3m 增加至7m 時(shí)，煤柱內(nèi)塑性破壞范圍逐漸增加，巷道上方頂板破壞范圍逐漸減小，說明煤柱寬度越大，其承載性能越高，塑性區(qū)分布范圍也越小，巷道范圍破壞情況有所好轉(zhuǎn)，當(dāng)煤柱寬度在8～10m 范圍，受采動(dòng)應(yīng)力影響較為強(qiáng)烈，煤柱塑性破壞范圍較大，煤柱內(nèi)承載力也越大，同時(shí)考慮到資源浪費(fèi)的問題，不建議選擇。說明煤柱寬度在5～7m 較為合理。

由此綜合分析得出煤柱合理尺寸為6m 為最優(yōu)。