基于數(shù)值模擬的綜放工作面煤柱寬度設(shè)計(jì)

鄒忠輝

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦，山西 孝義 032300)

引 言

在我國煤礦開采實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的過程中，厚煤層開采的重要性不言而喻，目前厚煤層的產(chǎn)量、儲(chǔ)量在全國煤炭的產(chǎn)、儲(chǔ)量中所占的百分比高達(dá)40%～50%[1-2]。而厚煤層開采，其回采巷道多布置在煤層中并沿煤層底板掘進(jìn)，而且相鄰工作面之間留設(shè)區(qū)段煤柱是目前國內(nèi)井工煤礦保護(hù)采準(zhǔn)巷道的普遍做法。但是留設(shè)煤柱護(hù)巷不可避免地造成煤炭資源的損失，尤其對于厚煤層來說，煤炭損失情況更為嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因區(qū)段煤柱的留設(shè)在一個(gè)采用綜放設(shè)計(jì)的采區(qū)中所造成的煤炭損失比例為9%～10%，而如果在采區(qū)的區(qū)段煤柱設(shè)計(jì)時(shí)采用小煤柱護(hù)巷或者沿空掘巷、沿空留巷，則可將煤柱損失大幅降低[3-5]。而煤柱尺寸的縮小，又可能會(huì)引起巷道圍巖控制難題，影響巷道的安全性、穩(wěn)定性和使用性。因此，要采取先進(jìn)的支護(hù)技術(shù)和優(yōu)化理論去探討兩者間的平衡點(diǎn)，在滿足安全生產(chǎn)要求的條件下，盡可能地減小煤柱尺寸寬度，以減少煤炭資源損失，提高煤炭采出率。本文針對某礦2水平南部采區(qū)的區(qū)段煤柱寬度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期得到一個(gè)最佳煤柱尺寸，實(shí)現(xiàn)安全及效益最大化。

1 工程概況

該礦2水平南部采區(qū)煤層厚度平均6.88 m，埋深169 m～190 m，實(shí)測煤層頂?shù)装迩闆r如下：老頂為中細(xì)砂巖，厚度5 m～7 m，巖性為灰黃色砂巖含黑色條帶。直接頂為細(xì)砂巖，厚度5 m，巖性為灰白色細(xì)砂巖，局部變?yōu)樯百|(zhì)頁巖。直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度2 m，巖性為黑色含植物化石，局部變?yōu)槟鄮r。老底為細(xì)砂巖，厚度5.5 m，巖性為灰色細(xì)砂巖。該礦在2#厚煤層采用綜采放頂煤技術(shù)時(shí)，一般沿煤層底板開掘工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷及開切眼，巷道頂板和兩幫均為煤體，面臨全煤巷道的支護(hù)問題。

2 區(qū)段煤柱設(shè)計(jì)原則分析

通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及文獻(xiàn)檢索，前人對區(qū)段煤柱的留設(shè)問題研究較多，區(qū)段煤柱的設(shè)計(jì)原則主要有以下幾個(gè)方面[6-7]：一是必須躲避應(yīng)力集中區(qū)，一側(cè)工作面回采后，會(huì)在相鄰區(qū)段形成側(cè)向支承壓力集中區(qū)和降低區(qū)，并在采空區(qū)遠(yuǎn)處達(dá)到原巖應(yīng)力區(qū)，如第128頁圖1所示，巷道應(yīng)盡量布置在應(yīng)力降低區(qū)，躲避應(yīng)力集中區(qū)；二是煤柱尺寸的設(shè)計(jì)必須考慮巷道圍巖的控制問題，過窄的煤柱會(huì)導(dǎo)致煤柱整體發(fā)生塑性破壞，導(dǎo)致圍巖控制困難，且無法為打設(shè)錨桿提供一個(gè)足夠的錨固穩(wěn)定區(qū)；三是煤柱尺寸的設(shè)計(jì)必須結(jié)合并配套有科學(xué)的支護(hù)方案設(shè)計(jì)，科學(xué)有效的支護(hù)方案能夠盡可能地減小煤柱尺寸并對圍巖變形進(jìn)行有效控制，但更小的煤柱尺寸又會(huì)依賴于支護(hù)效率及成本的提高，故煤柱尺寸和支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)找好平衡點(diǎn)。

我國煤礦常用的區(qū)段煤柱留設(shè)即區(qū)段巷道的掘進(jìn)位置主要有4種，如圖1所示。即在采空區(qū)邊緣不留煤柱的沿空掘巷(位置1)，在內(nèi)應(yīng)力場中留小煤柱的沿空掘巷(位置2)，在外應(yīng)力場中的中煤柱護(hù)巷(位置3)以及在原巖應(yīng)力區(qū)的大煤柱護(hù)巷(位置4)。圖中Hγ代表原各應(yīng)力，k代表應(yīng)力集中系數(shù)，kHγ代表應(yīng)力峰值。從煤體上方支承壓力分布規(guī)律可以看出，在位置3掘進(jìn)的巷道，正處于支承壓力高峰區(qū)，巷道最難維護(hù)；在位置4掘進(jìn)的巷道，雖然處于原巖應(yīng)力狀態(tài)較為容易維護(hù)，但需留設(shè)大煤柱，不利于煤炭資源回收率的提高。在內(nèi)應(yīng)力場中的無煤柱沿空掘巷(位置1)雖然能充分回采煤炭資源，但存在巷道漏風(fēng)、上區(qū)段采空區(qū)殘煤自然發(fā)火等不利因素。因此，沿空掘巷理論上的最佳位置是圖1中的位置2，即在內(nèi)應(yīng)力場中采用留設(shè)小煤柱沿空掘巷。

圖1 采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布及掘巷位置示意圖

3 數(shù)值模擬優(yōu)化分析

根據(jù)以上研究成果，在內(nèi)應(yīng)力場中采用留設(shè)小煤柱沿空掘巷最有利，而對于具體的地質(zhì)生產(chǎn)條件，小煤柱的尺寸如何留設(shè)，則需要進(jìn)一步研究，本文即針對該礦2水平南部采區(qū)22110工作面的具體地質(zhì)模型及工程條件，數(shù)值模擬研究22110工作面上順槽與鄰近已采工作面采空區(qū)間區(qū)段煤柱的尺寸問題。在進(jìn)行具體不同尺寸的煤柱優(yōu)化模擬之前，采用了FLAC-3D程序?qū)υ摰V工作面回采后引起的側(cè)向應(yīng)力分布情況進(jìn)行了大體模擬，以初步確定內(nèi)應(yīng)力場范圍，便于煤柱設(shè)計(jì)方案的確定。模擬結(jié)果表明工作面回采后引起的側(cè)向支承壓力峰值范圍為距離采空區(qū)邊緣8 m～15 m。據(jù)此共設(shè)計(jì)了五種不同尺寸煤柱的模擬方案，即，4 m煤柱、6 m煤柱、8 m煤柱、10 m煤柱、以及15 m煤柱，分別構(gòu)建不同煤柱尺寸的計(jì)算模型，對各自煤柱尺寸支承壓力作用下圍巖的受力、變形情況等進(jìn)行模擬研究及對比分析。

模擬結(jié)果顯示：在各煤柱尺寸條件下，煤柱幫移近量最大，實(shí)體煤幫、頂板下沉和底臌量依次減小。當(dāng)煤柱處于較小寬度水平時(shí)，隨著煤柱寬度的增加，圍巖的移近量逐漸增加，當(dāng)煤柱寬度達(dá)到8 m時(shí)，各斷面圍巖的移近量達(dá)到最大值；隨后隨著煤柱寬度的增加，圍巖移近量呈不斷減小趨勢，當(dāng)煤柱寬度大于15 m時(shí)，圍巖移近量逐漸趨于平穩(wěn)。分析巷道圍巖塑性區(qū)，煤柱幫塑性區(qū)范圍較實(shí)體幫大；當(dāng)煤柱寬度為6.0 m～8.0 m時(shí)，塑性區(qū)范圍最大，其最大厚度為5.0 m；當(dāng)煤柱寬度超過15 m以后，巷道兩幫圍巖塑性區(qū)呈對稱發(fā)展，塑性區(qū)范圍基本保持不變，趨近于原始應(yīng)力區(qū)。

綜合上述不同煤柱寬度時(shí)圍巖的應(yīng)力分布、表面位移以及塑性區(qū)分布的數(shù)值模擬結(jié)果，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐情況及預(yù)計(jì)的支護(hù)方案情況，可以確定22110工作面上順槽的合理護(hù)巷煤柱寬度為4 m～6 m。

4 結(jié)語

區(qū)段煤柱寬度設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何在對巷道進(jìn)行有效支護(hù)及多回收煤炭資源之間找到平衡點(diǎn)，從而得到一個(gè)最佳煤柱尺寸，實(shí)現(xiàn)安全及效益最大化。而受限于不同的地質(zhì)生產(chǎn)條件，在行業(yè)內(nèi)暫無法對最佳的煤柱尺寸進(jìn)行規(guī)定或指導(dǎo)，本文在文獻(xiàn)檢索、理論分析、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，將22110工作面上順槽的合理護(hù)巷煤柱寬度確定為4 m～6 m，對現(xiàn)場實(shí)踐具有較為科學(xué)的指導(dǎo)意義。