不連溝綜放面護巷煤柱尺寸數值模擬研究

周保平 劉磊磊 侯振勝

（1.大同煤礦集團挖金灣煤業公司，山西 大同 037042；2.蒙泰不連溝煤業公司不連溝煤礦，內蒙鄂爾多斯 100071）

0 引言

綜采機械化長壁放頂煤開采方法中煤柱尺寸對工作面正常回采影響較大，尤其是在準格爾煤田的薄基巖厚煤層開采條件下，煤柱尺寸的合理優化就更加重要。煤柱尺寸不合理時，隨著煤層覆蓋厚度的加大，礦壓顯現更為劇烈，留設的煤柱片幫非常嚴重，巷道難以維護，對工作面正常回采造成影響[1]。如果僅僅加大煤柱尺寸，雖然能很好地維護巷道，保證工作面安全開采，但是留設的煤柱尺寸過大就浪費了寶貴的資源，也增加了煤層的自然發火的危險性，浪費資源的代價甚至超過巷道維護的費用，得不償失[2]。

本文針對不連溝煤礦的地質條件進行煤柱尺寸合理優化，采用FLAC 軟件對F6201 綜放面護巷煤柱尺寸進行數值模擬。不連溝煤礦F6201 綜放面現留設的煤柱尺寸為20 m。為驗證20 m 煤柱的合理性，確定合理煤柱尺寸，分別對留設煤柱5 m、10 m、15 m、17.5 m、20 m、22.5 m、25 m、30 m、35 m時的留巷巷道垂直應力、水平應力、巷道變形和塑性破壞范圍進行分析研究，保證工作面安全回采的同時，得出合理的煤柱尺寸，為煤礦節省更多的資源。

1 F6201 綜放工作面基本情況

內蒙不連溝煤礦位于準格爾煤田北部，礦井主采煤層為石炭系上統太原組6#煤層。準格爾煤田煤層埋藏淺，煤層集中于淺部煤系地層。F6201 綜放工作面東連6#煤回風大巷，北靠總進風巷，西部、南部均是未采區，工作面沿底板布置兩順槽，一進一回。該工作面走向長度765.8 m，傾斜長度249.6 m。煤層埋深為356.0 m～397.5 m，平均為376.75 m。F6201綜放工作面回采煤層為6#煤層，傾角0°～8°，平均為4°，煤層平均厚度15.24 m。機采高度4.0 m，放煤高度11.24 m，采放比平均約為1∶3。煤層產狀平緩，煤層傾角0°～8°，平均44°，裂隙較發育。6#煤層綜合地質情況見第33 頁圖1。

2 數值模擬模型及計算分析

FLAC3D軟件是建立在拉格朗日算法基礎上的巖土力學數值計算軟件。在采礦工程中，利用FLAC 軟件可對采礦工程中圍巖活動規律、巷道圍巖穩定性問題涉及到的巖體力學特性、圍巖壓力、支護圍巖相互作用關系、巷道與工作面的時空關系等復雜的力學問題進行全面研究。該軟件主要適用模擬計算地質材料力學行為，特別是材料達到屈服極限后產生的塑性流動[3-4]。

2.1 模擬模型的建立

2.1.1 模型邊界條件

模型四周邊界均施加水平位移約束，底邊界均施加水平位移及垂直位移約束。而模型的頂邊界采用應力邊界，應力為上覆巖層重力產生的均布載荷（見圖2）。

圖1 綜合地質柱狀

圖2 物理模型和邊界條件

2.1.2 模型選擇和煤巖物理力學參數確定

本模型模型塊體的本構關系采用莫爾-庫侖模型進行計算[5-6]。由塊體和節理的本構關系確定數值計算所需要的屬性參數，根據已有的實驗室測得數據和類似條件下模擬實驗中所取的數值取F6201 工作面煤層及覆巖的物理力學參數及煤巖層接觸面力學參數，見第34 頁表1。

2.2 數值模擬對比分析

利用FLAC3D模擬原則及實際情況，經模擬計算可得出F6201 綜放工作面留設不同尺寸煤柱條件下煤柱本身及上覆巖層的應力分布情況(見第34 頁圖3)、變形情況（見第34 頁圖4）。

表1 煤巖物理力學參數

圖3 不同尺寸煤柱水平應力分布

圖4 不同尺寸煤柱變形分布及變形量

3 數值計算結果分析

利用FLAC3D模擬原則及實際情況，經模擬計算可得出F6201 綜放工作面留設不同尺寸煤柱條件下煤柱本身及上覆巖層的應力分布情況、煤柱應力及變形之間的相互變化數值關系，根據計算分析可得綜合比對圖（見圖3、圖4），得出不同煤柱寬度時煤體的破壞規律。

（1）隨著工作面與巷道之間煤柱寬度的增加，煤柱處的垂直應力逐漸增大，煤柱寬度為5 m 時煤柱處垂直應力集中系數最大值達到1.2～1.4 左右；煤柱寬度為10 m～15 m 時，煤柱處靠近工作面一側出現應力集中區，垂直應力集中系數最大值約為1.6～2.3；煤柱寬度為15 m～20 m 時，煤柱處垂直應力集中系數最大值保持在2.6 MPa。

（2）隨著工作面與巷道之間煤柱寬度的增加，煤柱中彈性區的范圍也逐漸加大。當工作面與巷道之間的煤柱寬度為5 m 時，整個煤柱完全塑性破壞，煤柱強度大幅降低；隨著煤柱寬度的加大，煤柱中逐漸出現彈性區，彈性區在整個煤柱中所占的比例逐漸加大，直至煤柱寬度達到10 m～15 m 時，煤柱中彈性區的范圍約占整個煤柱的1/2。

（3）隨著工作面與回風巷道之間煤柱寬度的增加，煤柱的變形量逐漸減少，煤柱寬度為5 m 時，煤柱的變形量達260 mm～270 mm 左右；煤柱寬度為10 m～15 m 時，煤柱的變形量從260 mm 減少到240 mm 左右；煤柱寬度為15 m～20 m 時，煤柱的變形量維持在100 mm～130 mm 左右；煤柱寬度為25 m～35 m 時，煤柱的變形量維持在80 mm～100 mm左右。

4 合理煤柱尺寸確定

通過不同煤柱尺寸條件下煤柱應力變化及變形，結合側向支撐壓力分布（見圖5、圖6），確定工作面與回風巷道之間留設的煤柱尺寸為18 m～22 m 之間，建議保留20 m 的煤柱。在開采過程中對煤柱采用20 m 留設并進行觀測，煤柱處垂直應力集中系數最大值保持在2.6 MPa，煤柱中彈性區的范圍約占整個煤柱的1/2，煤柱的變形量趨于穩定，從F6201 綜放面開采至結束，礦壓顯現基本穩定，未發生煤柱片幫現象。從整體開采觀測情況來看，現采用20 m 的煤柱基本合理，得以使F6201 綜放面順利開采，為礦井節約了寶貴的煤炭資源，而且對其他同類型礦井的安全開采具有指導意義。

圖5 不同煤柱尺寸側向支撐壓力

圖6 不同煤柱尺寸側向煤體變形

[1]楊寶貴.王莊煤礦綜放工作面小煤柱寬度優化分析[J].煤炭科技，2006（9）：36-37.

[2]劉正和.綜放開采區段煤柱應力分布及其尺寸優化設計研究[J].山西煤炭，2009，29（3）：41-42.

[3]彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：機械工業出版社，2009：26-41.

[4]孫書偉.FLAC3D在巖土工程中的應用[M].北京：水利水電出版社，2011：56-58.

[5]李洪武.綜放開采區段煤柱應力分布及其尺寸優化 [J].煤炭科學技術，2008，35（8）：39-41.

[6]劉愛國.綜放工作面回采巷道煤柱應力分析與參數優化[J].煤炭科學技術，2002，30（1）：39-41.