淺埋一次采全高工作面煤柱寬度留設(shè)分析

王卿

【摘 要】 淺埋煤層合理煤柱寬度的留設(shè)對(duì)于提高煤炭的回采率以及巷道的穩(wěn)定性都有重要意義。本文以西部某淺埋礦井為研究背景，利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析并通過(guò)對(duì)煤柱垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力進(jìn)行分析，進(jìn)而開展了淺埋煤層采掘工作面的最佳煤柱寬度留設(shè)研究。研究表明：隨著煤柱寬度增加，垂直應(yīng)力呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)且煤柱內(nèi)部的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)雙峰曲線，煤柱內(nèi)部水平應(yīng)力隨著煤柱深度的增加而增大且煤柱內(nèi)部水平應(yīng)力曲線呈單峰對(duì)稱曲線;最佳煤柱寬度為14-16m。研究成果可為類似地質(zhì)條件下煤礦安全開采提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 極淺埋煤層;煤柱寬度留設(shè);數(shù)值模擬;應(yīng)力

【中圖分類號(hào)】 TD323 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）03-0009-02

為了更好地達(dá)到提高煤炭產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦綠色清潔能源的開采等主要經(jīng)濟(jì)目的，增大煤礦的回采率，是較為可行的方法之一。而針對(duì)淺埋煤層而言使用一次性采全高技術(shù)，可以達(dá)到高產(chǎn)高效目的。一次性采全高開采可以很好地提高煤炭開采率，達(dá)到高產(chǎn)高效，節(jié)約開采成本，在實(shí)際的開采生產(chǎn)中被大多數(shù)礦井采用。在開采過(guò)程中，很多煤礦在初步設(shè)計(jì)開采時(shí)不合理，工作面與工作面之間留設(shè)了不合理的區(qū)段煤柱，造成了大量的煤炭資源浪費(fèi)。此外，煤柱留設(shè)寬度的不合理會(huì)對(duì)其他工作面開采造成影響，使工作面開采過(guò)程中應(yīng)力增加，增加了煤礦發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的可能性。為增大煤礦的回采率，在原有的開采技術(shù)上，選用適當(dāng)?shù)拿褐鶎挾瓤梢栽龃竺禾慨a(chǎn)量進(jìn)而提高回采率、減小煤礦動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生概率。

本文主要以西北某一淺埋煤層為背景，利用FALC3D數(shù)值模擬軟件研究工作面開采過(guò)程中煤柱合理寬度留設(shè)，為類似條件下開采提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1工程背景

本文主要以西北某一淺埋煤層為背景，礦井埋深約150m，煤層開采厚度平均6m，頂板粉砂巖厚度為2m、泥巖厚度為8m，底板以粗砂巖為主，厚度為4m。綜合柱狀圖如圖1所示。煤巖力學(xué)參數(shù)表如表1所示。

2數(shù)值模型建立

確定15306工作面為研究對(duì)象，該采區(qū)工作面煤柱寬度為18.2m，回風(fēng)順槽、輔運(yùn)順槽：寬×高=5.7m×4.3m，膠運(yùn)順槽寬×高=6.2m×4.3m，回采面走向長(zhǎng)度為280m，建模過(guò)程中不考慮巷道，因此模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高（x×y×z）=406.8m×100m×86.5m。最終得出數(shù)值模型如圖2，模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為583881、單元數(shù)為560000、上覆巖層厚度為80m、側(cè)壓力系數(shù)為1.2。

為了模擬該煤礦煤層綜采工作面區(qū)段煤柱的合理寬度，在運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道和斷面尺寸數(shù)值確定的情況下，可分為六個(gè)工作點(diǎn)，見下表2。

3煤柱寬度留設(shè)分析

在采動(dòng)影響下煤柱水平及垂直應(yīng)力發(fā)生了變化，具體變化可見圖3和圖4。圖3為采掘工作面從0m至50m回采時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)為25m處的不同寬度煤柱下的垂直應(yīng)力分布圖。

由圖3可知，不同寬度煤柱下的垂直應(yīng)力曲線均為雙峰曲線，應(yīng)力大小隨著煤柱增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大再減小的趨勢(shì)。煤柱寬度分別為10m、12m、14m、16m、18m、20m時(shí)，其對(duì)應(yīng)的垂直應(yīng)力峰值為4.32Mpa、4.25Mpa、4.15Mpa、4.13Mpa、4.12Mpa、4.11Mpa。由其峰值變化可以看出當(dāng)煤柱寬度大于14m時(shí)，煤柱的垂直應(yīng)力峰值變化幅度減小。當(dāng)煤柱寬度為10m時(shí)，煤柱的垂直應(yīng)力曲線分布圖主要呈現(xiàn)對(duì)稱狀態(tài)，當(dāng)煤柱寬度超過(guò)10m時(shí)，其垂直應(yīng)力曲線圖呈非對(duì)稱性，由此可知采空區(qū)附近的應(yīng)力比輔運(yùn)順槽的應(yīng)力值稍大一些。當(dāng)煤柱寬度為10m時(shí)其原巖應(yīng)力大約為2Mpa左右，10m寬度下的垂直應(yīng)力是其2倍多，具有承載能力，煤柱寬度為14-16m時(shí)存在一定的彈性區(qū)，承載能力較為良好。煤柱寬度為16-20m時(shí)存在較好的穩(wěn)定性，但由于埋深較淺，若選用16-20m煤柱寬度時(shí)降低了煤炭的采出率，損失嚴(yán)重，故選用14-16m為最佳煤柱寬度范圍。

由圖4可知，兩側(cè)的水平應(yīng)力值較小，中間位置水平應(yīng)力值較大，水平應(yīng)力值呈現(xiàn)出中間大兩邊低，且水平應(yīng)力曲線呈對(duì)稱分布，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是煤柱兩側(cè)受到了約束。當(dāng)煤柱寬度為10m、12m、14m、16m、18m、20m時(shí)其對(duì)應(yīng)的水平應(yīng)力峰值為1.15MPa、1.25MPa、1.30MPa、1.40MPa、1.50Mpa、1.55MPa，煤柱寬度在10-18m時(shí)水平應(yīng)力變化較為明顯，18-20m時(shí)水平應(yīng)力變化幅度下降。對(duì)比不同煤柱寬度下的水平與垂直應(yīng)力可知：煤柱寬度在10-14m時(shí)水平應(yīng)力較小垂直應(yīng)力較大，煤柱寬度在14-16m時(shí)其水平與垂直應(yīng)力位于中間大小，煤柱寬度在16-20m時(shí)水平應(yīng)力較大垂直應(yīng)力較小，綜上最佳煤柱寬度為14-16m。

4結(jié)論

不同煤柱下的采動(dòng)應(yīng)力是一個(gè)隨著回采長(zhǎng)度的變化從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化的一個(gè)過(guò)程。當(dāng)煤柱寬度不斷增大時(shí)，垂直應(yīng)力呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)且煤柱內(nèi)部的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)雙峰曲線，煤柱內(nèi)部水平應(yīng)力隨著煤柱深度的增加而增大且煤柱內(nèi)部水平應(yīng)力曲線呈單峰對(duì)稱曲線。

對(duì)煤柱不同寬度下的應(yīng)力分析得出最佳煤柱寬度為14-16m，此范圍的煤柱具有較好的承重和承壓能力且煤柱的穩(wěn)定性較好。

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