區(qū)段煤柱留設(shè)寬度及耗散性研究

曹成君

（潞安環(huán)能股份公司常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102）

隨著煤炭資源長(zhǎng)期開(kāi)采，礦井集約高效開(kāi)采已經(jīng)成為大的趨勢(shì)[1]。煤柱留設(shè)寬度的優(yōu)化，不僅能夠提高資源利用率，同時(shí)能夠有效緩解巷道應(yīng)力集中等現(xiàn)象，從而保證工作面的正常回采[2-3]。現(xiàn)在研究多集中于煤柱應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及數(shù)值模擬塑性破壞等方面，對(duì)于能量場(chǎng)的研究很少，而能量釋放過(guò)程是造成巷道圍巖及煤柱變形破壞的主要原因[4]，因此本文基于山西常村煤礦2105工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，在確定沿空掘巷窄煤柱尺寸基礎(chǔ)上，制定煤柱模擬方案，進(jìn)一步分析不同煤柱方案的能量釋放結(jié)果，最終確定合理煤柱方案。

1 工作面概況

山西常村煤礦3#煤層位于山西組的中、下部，煤層厚度5.95～7.30m，平均厚度為6.65m，傾角4°～6°，局部含夾矸一層，平均厚度為0.33m。直接頂為3.6m的炭質(zhì)泥巖、粉砂巖，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度較低；基本頂為細(xì)粒砂巖，厚度為8.4m；底板為砂質(zhì)泥巖，厚度5.2m。

在上區(qū)段工作面采掘結(jié)束頂板穩(wěn)定后，2103工作面巷道開(kāi)始布置，其中在回風(fēng)巷掘巷期間，按原先設(shè)計(jì)留設(shè)30m煤柱掘進(jìn)，但巷道圍巖變形依舊嚴(yán)重，對(duì)巷道掘進(jìn)工作產(chǎn)生了較大的影響（圖1）。

圖1 工作面布置情況

2 區(qū)段窄煤柱尺寸理論計(jì)算

工作面埋深320m，2103工作面為已回采面，2105工作面為接續(xù)面。采用經(jīng)典極限平衡區(qū)公式求解X0。

式中：

m-巷高，3m；

h-開(kāi)采深度，320m；

A-測(cè)壓系數(shù)，A=0.51；

K-最大應(yīng)力集中系數(shù)，2.5；

γ-上覆巖層平均容重，25kN/m3；

C-內(nèi)聚力，1MPa；

φ-內(nèi)摩擦角，30°；

Px-錨桿對(duì)煤柱的支承應(yīng)力，0.3MPa。

求出X0=3.63m。巷道布置在極限平衡區(qū)以?xún)?nèi)的塑性區(qū)，有一定卸壓作用，利于巷道維護(hù)，減小變形量。

圖2 最優(yōu)巷道煤柱寬度

圖2中，X0為工作面開(kāi)采后在采空側(cè)煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m；X1為考慮煤層厚度而增加的煤柱穩(wěn)定系數(shù)，按(X0+X2) ( 15%～30% ) 計(jì)算；X2為錨桿有效長(zhǎng)度，取 2.4m。

3 圍巖應(yīng)變能理論分析

基于熱力學(xué)定律，能量耗散是圍巖變形破壞的本質(zhì)屬性，在能量耗散過(guò)程中，巷道圍巖及煤柱強(qiáng)度不斷降低，即能量耗散程度是圍巖強(qiáng)度喪失直接相關(guān)指標(biāo)，而耗散量直接反映了原始強(qiáng)度衰減的程度[5]。結(jié)合熱力學(xué)第一定律：

式中：

U-外力功所產(chǎn)生的總輸入能量，kJ；

Ud-單位體積煤巖體耗散能，kJ；

Ue-單位體積煤巖體可釋放彈性應(yīng)變能，kJ。

如圖3所示，在巖石加卸載過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σ1時(shí)，巖石變形量為ε1，則外力功的總輸入量為加載曲線（1）與應(yīng)變軸所圍成面積，巖體內(nèi)部可釋放彈性應(yīng)變能密度為Uie，即圖中卸載曲線（2）與應(yīng)變軸所圍成面積，因此巖石內(nèi)部耗散能密度為Uid，即加載曲線（1）和卸載曲線（2）所圍成的面積。

圖3 巖石的加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

式中：

ε1-應(yīng)力σ1對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，mm；

ε2-應(yīng)力由σ1卸載至0時(shí)對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)變值，mm；

為進(jìn)一步研究巖體耗散能變化情況，基于廣義胡克定律，在非線性加載過(guò)程中，巖體線性卸載過(guò)程中的可釋放彈性應(yīng)變能則有：

式中：

σ1，σ2，σ3-3 個(gè)主應(yīng)力，MPa；

E0-煤巖體的初始彈性模量；

μ-煤巖體的初始泊松比。

結(jié)合式（3）和（6）可知，當(dāng)可釋放彈性應(yīng)變能越大時(shí)，圍巖內(nèi)部破壞越劇烈，可釋放彈性應(yīng)變能越小時(shí)，圍巖內(nèi)部穩(wěn)定性也越好。因此基于FLAC3D內(nèi)助FISH語(yǔ)言將式（6）編入其中，然后倒入Surfer中處理，所得結(jié)果可為煤柱能量場(chǎng)分析提供內(nèi)容。

4 區(qū)段煤柱留設(shè)數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算分析，模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，相關(guān)的巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。采用模擬模型尺寸（X×Y×Z）為200×200×155m（圖4）。煤層埋深320m，容重取25kN/m3。見(jiàn)圖5，分別比較6m、7m、8m、9m煤柱方案進(jìn)行模擬，模型底邊邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，模型頂部施加垂直應(yīng)力σzz=8MPa。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

圖4 數(shù)值模型圖

通過(guò)對(duì)模型中部進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，可獲得如圖5所示的應(yīng)變能示意圖。分析四種煤柱形狀發(fā)現(xiàn)，從6m煤柱到9m煤柱，煤柱內(nèi)部可釋放應(yīng)變能范圍和高度逐漸增大，說(shuō)明煤柱內(nèi)部穩(wěn)定能力逐漸喪失，而且最大峰值位置基本位于煤柱偏中部。同時(shí)需要注意的是，煤柱6～7m時(shí)范圍雖然增長(zhǎng)，但是相差不大，其中可釋放彈性應(yīng)變能峰值，7m煤柱相對(duì)于6m煤柱增長(zhǎng)8.2%，8m煤柱相對(duì)于7m增長(zhǎng)25.4%，而9m煤柱相對(duì)于8m煤柱增長(zhǎng)27.1%，即煤柱在6m和7m時(shí)，內(nèi)部能量釋放相差不大，而繼續(xù)增加至8m和9m時(shí)，相對(duì)百分比增加較大，即可釋放應(yīng)變能變化較大。基于式（3）可知，8m和9m煤柱破壞較為嚴(yán)重，尤其在煤柱偏中部區(qū)域。基于上述分析可得，煤柱7m較為合適。

圖5 不同寬度煤柱能量耗散應(yīng)變分布云圖

5 結(jié)論

（1）基于理論公式進(jìn)行計(jì)算，獲得合理煤柱寬度范圍B=6.93～7.83m，為煤柱數(shù)值模擬提供了理論依據(jù)。

（2）綜合理論分析和數(shù)值模擬的分析結(jié)果，確定煤柱寬度為7m時(shí)，可釋放應(yīng)變能較低，而且較7m煤柱更加安全。