綜放沿空掘巷合理煤柱寬度數值模擬研究

李金剛，白云飛，梁雁俠，史 勇

(晉能控股煤業集團 麻家梁煤業有限公司，山西 朔州 036000)

煤柱寬度的研究一直是厚煤層綜放開采中備受學者關注的課題，煤柱寬度會隨著地質條件以及開采方式的變化而變化，煤柱寬度影響回采引起的支撐壓力對巷道的影響程度及煤柱的載荷，以及圍巖位移場分布、圍巖應力狀態[1-4].因此，合理的區段煤柱寬度至關重要，不僅可以保證工作面正常推進，而且可以提高煤炭采出率。目前，大采高放頂煤開采中巷道布置方式包括3種，寬煤柱護巷、預留窄煤柱沿空掘巷以及沿空留巷[2].留設寬煤柱護巷是以前比較常用的一種護巷方式，煤柱較寬時其承載能力較強，可以保證巷道的穩定性，但由于上覆巖層太厚而無法回采造成煤炭大量損失，降低了煤炭采出率，在厚煤層壓力的作用下，留設寬煤柱使得煤柱側向支承壓力范圍變大，巷道更容易達到其峰值應力，影響巷道的穩定性[3].沿空留巷雖然解決了寬煤柱護巷中遺留煤柱的問題，且開采效率高，但其穩定性較差，給巷道支護帶來困難。預留窄煤柱護巷可以同時解決寬煤柱和沿空留巷的問題，既保護了巷道的穩定性又保證了煤炭的采出率[5-8].

晉能控股煤業集團麻家梁煤礦14211工作面為厚煤層綜放工作面，圍巖變形劇烈、支護困難，采用FLAC3D數值模擬的方法確定合理的煤柱寬度，以維持巷道穩定性，提高煤礦采出率。

1 地質條件

麻家梁煤礦范圍內共含可采煤層7層，即4號、5號、6號、8號、9號、9下號、11號煤；其中4、9號煤層為主要開采煤層，4號煤層厚度1.35～12.93 m，平均6.55 m，9號煤層厚度0.79～20.53 m，平均11.49 m，平均間距57 m，分兩個水平開拓，目前開采+665 m水平4號煤層。

該礦井地溫地壓屬于正常區域，水文地質條件為中等；直接充水含水層為4號煤層頂部砂巖裂隙含水層，富水性極不均一；奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層水相對4號煤層底板水頭壓力3.20～5.90 MPa，4號煤底板奧灰突水系數為0.03～0.05 MPa/m，屬相對安全區。

2 模型建立

2.1 數值模型建立

采用三維數值模擬軟件FLAC3D5.0對麻家梁煤礦14211工作面煤柱寬度進行模擬，對比分析不同煤柱條件下垂直應力和水平應力的分布情況，為沿空掘巷煤柱寬度的確定提供依據。數值模型見圖1.

圖1 數值模型圖

模擬采用摩爾庫倫模型，其屈服準則的表達式為：

式中，σ1、σ3分別為主應力最大值和最小值，MPa;φ為煤巖體的內摩擦角，(°);c為煤巖體的黏聚力,MPa.

位移邊界條件：模型對四周和地面進行約束，即限制模型在X、Y方向的水平位移和Z軸負方向的位移，X=0、X=280、Y=0、Y=150 和Z=0.

應力邊界條件：數值模型的建立一般會根據實際地質條件按比例簡化，忽略一些次要因素的影響，由于開挖巷道只能對巷道、煤柱及周邊地區產生影響，在該模型上部施加7.5 MPa的垂直均勻載荷代替上覆巖層的壓力，側壓系數取1.2，煤層高度為6 m，巷道高度為2.8 m，頂煤3.2 m，見圖2.

圖2 局部模型圖

2.2 巖石力學參數

根據14211工作面現場收集到的地質資料得知,煤層頂板依次為炭質泥巖、高嶺質泥巖和K3砂巖，底板巖層依次為砂質泥巖、泥巖。模擬時用到的力學參數見表1.

表1 巖層物理力學參數表

2.3 模擬內容

1)模擬上區段工作面回采后實體煤側上覆巖層側向支撐壓應力的分布情況，分析側向支承壓力的最大值以及與煤壁邊緣的距離，以此來分析沿空巷道布置的具體位置。

2)上區段工作面回采后，模擬預留6 m、8 m、10 m、12 m、14 m和16 m煤柱6種方案，分析14211工作面在預留不同寬度煤柱情況下沿空巷道開挖對側向支承壓力分布的影響以及巷道圍巖的應力分布情況。

3 采空區側向支承壓力分布

上區段工作面回采后，采空區左側實體煤垂直應力分布見圖3.由圖3可知，經過上區段工作面回采，左側實體煤垂直應力將重新分布，主要表現為應力集中現象，在圖中看上去像是一個同心橢圓，由外到內垂直應力越來越大，最大垂直應力約為19.32 MPa，該點距實體側煤壁約為5.92 m.側向支承壓力曲線圖見圖4.從圖4中可以看出，上區段工作面回采后在采空區實體煤側煤體內引起的應力擾動范圍約為36 m，距離煤壁0～3 m，實體煤側下部的煤體在強烈的壓應力作用下產生裂隙，該范圍被稱為破裂區，在這個范圍內的煤體所受荷載已經超過了自身的強度極限，且有可能會有部分坍塌；在距離實體煤邊緣3～6 m，此范圍被稱為塑性區，區域內3～6 m垂直應力逐步增大最終達到最大值，其最大值約為20 MPa，此范圍煤體基本不會產生裂隙；在距離實體煤邊緣大于6 m的區域被稱為彈性區，沿空巷道不宜布置在破壞區和塑性區，若在實體煤側6 m范圍內布置，巷道圍巖裂隙會隨沿空巷道的開挖逐漸增大，圍巖變型也會加大，所以沿空巷道適合布置在距離采空區邊緣6 m范圍以外，即布置在彈性區。

圖3 側向垂直應力分布圖

圖4 側向支承壓力曲線圖

4 沿空掘巷期間圍巖垂直應力分布

不同煤柱寬度情況下煤柱及實體煤側垂直應力分布云圖見圖5.從圖5的模擬結果可以得知，不同煤巷寬度條件時，在巷道實體煤幫及煤柱內部會形成范圍不等、具有非對稱性的應力集中區域。當煤柱寬度為6 m時，實體煤側應力云圖主要表現出同心橢圓狀，出現較為集中的應力集中現象;在煤柱一側的應力值不存在應力集中現象;當煤柱寬度為8 m 時，實體煤側應力集中現象明顯加強，而在煤柱側也出現了小范圍的應力集中，隨著煤柱寬度的逐漸增加，實體煤側應力集中現象逐漸消失，而在煤柱側應力集中范圍逐漸變大;煤柱寬度為10 m時煤柱側應力集中范圍超過了實體煤側，煤柱寬度為6 m和8 m時，實體煤側應力峰值分別為20.1 MPa和18.8 MPa，煤柱側峰值分別為10 MPa和12 MPa;煤柱寬度為10 m、12 m、14 m、16 m時，實體煤側應力基本集中在15 MPa,煤柱側應力峰值分別為20.6 MPa、22.1 MPa、23.3 MPa、23.6 MPa.

圖5 掘巷期間不同寬度煤柱垂直應力云圖

5 掘巷期間圍巖水平應力分布

不同預留煤柱寬度條件下沿空巷道上覆巖層水平應力分布云圖見圖6.由圖6可知，煤巷頂板巖層內水平應力比較集中，主要分布在沿空巷道正上方，其位置會隨煤柱寬度的增加略有偏移，煤柱寬度越大水平應力集中區域越往煤柱側偏移。煤柱寬度為6 m時，上覆巖層最大水平應力值為43.3 MPa;煤柱寬度為16 m時，上覆巖層水平應力為42.4 MPa，說明最大水平應力的大小隨煤柱寬度的變化而變化的范圍不是很大，基本都超過40 MPa，在此高水平應力作用下巖層會有明顯的水平位移，在煤柱內的水平應力值不會隨煤柱寬度的變化而變化，基本最大水平應力處于10 MPa左右，要遠遠小于垂直應力的最大值。為防止上覆巖層水平移動,在支護時要加強剪切應力的防護。

圖6 掘巷期間不同寬度煤柱水平應力云圖

6 掘巷期間圍巖垂直位移分布

不同預留煤柱寬度條件下沿空巷道上覆巖層垂直位移分布云圖見圖7.由圖7可知，留設6 m煤柱時，沿空巷道頂底板移進量最大，頂板最大下沉量為180 mm,最大底鼓量為90 mm，頂底板相對移進量為270 mm;留設8 m煤柱時，頂板最大下沉量為125 mm，最大底鼓量與6 m時基本沒有變化，頂底板相對移進量為215 mm，巷道垂直位移明顯減小；隨著煤柱寬度的逐漸增加，煤柱寬度為16 m時沿空巷道頂板下沉量逐漸減小到40 mm，底鼓量也逐漸減小到70 mm，頂底板相對移進量減小到110 mm，頂板變化速度要遠比底板變化速度快；6 m煤柱時，煤柱側和實體煤側上覆巖層垂直位移分布主要呈現非對稱現象，煤柱側上覆巖層垂直位移明顯比實體煤側大，說明此時煤柱因荷載太大而發生變形;當煤柱為8 m時，這種非對稱現象會稍微減弱，整體還表現為煤柱側變形量大于實體煤側;當煤柱寬度為10 m時，這種非對稱現象基本消失，煤柱側和實體煤側位移云圖均勻分布，表明10 m的煤柱對沿空巷道起到良好的支護作用。

圖7 掘巷期間不同寬度煤柱垂直位移云圖

7 掘巷期間圍巖水平位移分布

不同預留煤柱寬度條件下沿空巷道巷幫水平位移分布云圖見圖8.由圖8可知，沿空巷道巷幫水平位移隨煤柱寬度增加反而逐漸減小，煤柱寬度為6 m時其水平位移量最大，靠近實體煤一側水平位移量大約為125 mm，靠近煤柱一側水平位移量大約為200 mm,整體表現為靠近煤柱側的水平位移要大于實體煤側，對于煤柱而言，靠近采空區一側煤柱部分和靠近實體煤側煤柱部分水平位移呈現明顯的非對稱性，隨著煤柱寬度的增加這種非對稱性會逐漸減弱，但不會消失。

圖8 掘巷期間不同寬度煤柱水平位移云圖

不同預留煤柱寬度條件下煤柱寬度方向上不同位置的垂直應力曲線分布圖見圖9.由圖9可知，煤柱中的垂直應力隨著離采空區邊緣距離的增加先增后減，垂直應力的峰值隨著煤柱寬度的增加逐漸增大，煤柱寬度從6 m增加到12 m的過程中，應力峰值快速增加，其峰值的位置距離采空區邊緣也逐漸變遠，應力曲線呈對稱分布；煤柱寬度從12 m 增大為16 m的過程中，應力峰值基本保持在距離采空區邊緣6.3 m處不變，垂直應力基本值保持在23 MPa，應力曲線呈非對稱式分布，在距離采空區邊緣3 m范圍內垂直應力隨煤柱寬度變化基本不發生變化。

圖9 不同寬度煤柱應力曲線圖

不同寬度煤柱位移曲線見圖10.由圖10可知，煤柱中存在位移為零的點，6 m煤柱時位移為零的點距離采空區邊緣2.6 m，8～16 m煤柱時位移為零的點基本一致，距離采空區邊緣4 m,零位移點上方為采空區側煤柱水平位移情況，其水平位移曲線斜率基本保持不變，離采空區邊緣越遠水平位移越小，煤柱寬度從8 m增大到16 m過程中，煤柱內水平位移不斷減小；零位移點下方為實體煤側煤柱水平位移情況，其位移曲線斜率隨煤柱寬度的增加而減小，距離采空區邊緣越遠其水平應力越大，在煤柱側水平位移與到采空區邊緣的距離成反比，而在實體煤側水平位移與到采空區邊緣的距離成正比。

圖10 不同寬度煤柱位移曲線圖

8 結 論

根據采空區左側煤巖體側向支承壓力分布模擬結果可知，沿空巷道適合布置在采空區側向巖體彈性區內，即距離采空區邊緣6 m范圍以外。當煤柱寬度為6～8 m時，沿空巷道上方煤巖體垂直應力明顯呈不對稱性，實體煤一側出現的應力集中現象明顯大于煤柱側，說明其沿空巷道變形嚴重，因此得知煤柱寬度必須大于8 m；當煤柱寬度為12～16 m時，應力集中現象從實體煤側轉移到煤柱上，煤柱內應力集中比較嚴重，無法將應力轉移，高強度的壓力會使煤柱嚴重變形，對沿空巷道起不到有效的支護作用；當煤柱寬度為10～12 m時，煤柱側和實體煤側垂直應力分布較為均勻，兩側均不會出現應力集中現象，使得實體煤和煤柱共同對上覆巖層起到支護作用，保證了巷道圍巖的穩定性。根據煤柱寬度設計原則，最終確定14211工作面沿空巷道護巷煤柱的寬度為10 m.