富康源礦綜放工作面沿空留巷煤柱合理寬度研究

高鵬輝

（山西鄉寧焦煤集團富康源煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

煤炭資源是我國主要的化石能源，其儲量十分豐富，隨著近年來我國煤炭產業的不斷發展，煤炭資源的需求量日益增加，隨著我國提出綠色能源口號，我國開始大力發展水能、太陽能、風能等行業，但由于我國處于發展階段，煤炭作為工業發展的支撐無法徹底摒棄，所以目前煤炭仍然在我國能源消耗中占具主導地位，煤炭資源在一次能源生產占比76%，在能源消耗占比也超過69%。在礦井開采過程中，為保證工作面相鄰開采不受影響。巷道通常設置護巷煤柱。隨著開采深度的不斷增加，護巷煤柱的留設寬度也隨之增加，這樣不僅造成了資源浪費，同時限制著煤企的高效發展[1-2]。在此背景下，沿空掘巷留窄煤柱開采技術得到廣泛應用，通過留設護巷煤柱從而保證巷道的穩定性，達到穩定高效開采目的[3-4]。目前我國的煤柱留設寬度研究多針對特定礦山，無法廣泛得到應用，所以本文以富康源礦為研究背景，利用數值模擬軟件，對沿空留巷留設煤柱合理寬度進行一定的研究。

1 礦井概況及模型建立

富康源礦位于位于鄉寧縣臺頭鎮神角村，井田面積為9.75 km2，設計生產能力120萬t/a，井田地質構造簡單。10503工作面位于二采區西翼，地面標高+2 183~+2 222 m，工作面埋深147~262 m，北部10502工作面已經回采穩定，工作面南部未采動，目前主采5號煤層，煤層厚度為5.53~6.83 m，平均厚度為6.1 m，煤層呈現單斜構造，煤層向南傾斜，傾角44°，產狀較穩定。目前沿10502工作面采空區掘進10503工作面回風巷，巷道斷面形狀為梯形。由于10503工作面回風巷掘進過程中留設煤柱寬度不合理，使得巷道受上工作面采空區的殘余支承壓力和巷道掘進期間的采動影響，使得巷道圍巖變形較大，發生多次垮冒。因此本文對不同煤柱寬度下巷道圍巖的穩定性進行研究，確定煤柱留設最佳寬度。

為了對沿空巷道圍巖穩定性進行更好的分析，通過數值模擬進行軟件，本文采用FLAC3D數值模擬軟件，對模型進行建立，模型尺寸設定為長寬高：170 m×60 m×172 m，對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時將巷道周邊圍巖進行細化分，在原理巷道周邊圍巖進行粗劃分，以此來保證精度的同時降低模擬的計算時間，經過劃分模型的單元總數為316 800，模型的節點總數為386 353。對模型的進行邊界約束設定，在模型下及前后左右邊界進行固定約束設定，避免模型出現垂直及水平方向的位移，在模型的上表面根據覆巖自重計算后對模型上端施加均布荷載4.0 MPa，對模型進行物理參數設定，物理參數設定參照巖層屬性進行，模型采用摩爾庫倫屈服準則。完成模型的建立，模型示意圖如1所示。

圖1 模型示意圖

2 模擬計算

首先對不同煤柱寬度下煤柱內部垂直應力分布情況進行分析，選定煤柱寬度分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m六種條件進行分析，掘進過程中不同煤柱寬度下煤柱內部垂直應力分布曲線如2所示。

從圖2可以看出，10503工作面回風巷在開挖后，此時煤柱內部垂直應力隨著距離工作面距離的減小呈現先增大后減小的趨勢，同時隨著煤柱寬度的增大，煤柱內部垂直應力峰值呈現出逐步增大的趨勢。當煤柱寬度為3.0~4.0 m時，此時煤柱內部的垂直應力峰值較原巖應力小，此時的煤柱承載能力較差，而隨著煤柱寬度的增大，此時煤柱內部垂直應力峰值快速增大，當煤柱寬度增大至5.0 m時，此時煤柱內部穩定區域較小且穩定區域距離巷道煤幫較遠，此時錨桿極難錨固。當煤柱寬度增加至6.0~8.0 m時，此時煤柱內垂直應力的峰值明顯大于原巖應力，且隨著煤柱寬度的增大，此時煤柱內的垂直應力峰值呈線性增長，此時的穩定區域逐步向著煤幫靠近，對于錨桿錨固較為有利。綜上所述，可以看出在煤柱寬度小于6.0 m時，此時煤柱內的垂直應力峰值較小，無法滿足巷道穩定性要求。當煤柱寬度大于6.0 m時，此時煤柱內穩定區域范圍增加明顯，利于錨桿錨固。所以在考慮承載力后煤柱的合理寬度不應低于6 m。

圖2 不同煤柱寬度下煤柱內部垂直應力分布曲線

對不同煤柱寬度下，煤柱水平位移進行分析，選定煤柱寬度分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m六種條件進行分析，掘進過程中不同煤柱寬度下煤柱水平位移曲線如圖3所示。

圖3 不同煤柱寬度下煤柱水平位移曲線

從圖3可以看出，隨著隧道的開挖，此時煤柱幫的水平位移呈現出如下的變化規律：護巷煤柱沿寬度方向，水平位移呈現先減小后增大的趨勢，當煤柱寬度為3.0~5.0 m時，此時煤柱內部水平位移量呈現出線性增長趨勢，增長幅度較大，而當煤柱寬度6.0~8.0 m時，此時煤柱內部水平位移量增長幅度有所降低，這是由隨著煤柱寬度的增大，煤柱承載能力增強，煤柱抗水平變形能力增強，煤柱發生水平方向的位移量也就有所減小。在煤柱寬度6.0 m時，此時煤柱內部4.0 m左右，煤柱出現相反的水平移動，此時煤柱內部存在水平位移零分界線，分界線隨著煤柱寬度的增加，逐步靠近采空區一側。

對不同煤柱寬度下巷道圍巖變形量進行分析，同樣選定煤柱寬度3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m六種條件進行分析，不同煤柱寬度下巷道圍巖變形曲線如圖4所示。

圖4 不同煤柱寬度下巷道圍巖變形曲線

從圖4可以看出，隨著煤柱寬度不斷增大，巷道頂板和巷道兩幫移近量呈現出逐步減小的趨勢，當煤柱寬度為3 m時，此時巷道的頂板下沉量為48.93 mm，此時的兩幫移進量為41.22 mm，此時的巷道變形量較大，巷道穩定性較差。當煤柱寬度增大至4 m時，此時巷道圍巖變形量有了較大幅度的減小，此時的巷道頂板及兩幫移近量分別為34 mm和28 mm，隨著煤柱寬度的進一步增大，巷道頂板及兩幫移近量仍持續減小，此時的巷道頂板和兩幫移近量分別為26 mm和20 mm，當煤柱寬度大于5 m時，此時巷道頂板及兩幫的移近量達到穩定值，下沉量保持在21.53~23.10 mm，兩幫移進量在18.51~19.64 mm范圍內，所以根據圍巖變形量可以得出巷道護巷煤柱5 m以上時，巷道穩定性能夠滿足要求，綜合分析不同煤柱寬度下的煤柱受力及水平變形得出，最佳煤柱寬度為6 m。

3 結論

1）利用數值模擬軟件對不同煤柱寬度下煤柱內部垂直應力分布曲線，發現當煤柱寬度小于6.0m時，無法滿足巷道穩定性要求。當煤柱寬度大于6.0 m時，此時煤柱內部穩定區域增加，煤柱穩定性較好。

2）護巷煤柱沿寬度方向，水平位移呈現先減小后增大的趨勢，當煤柱寬度為3.0~5.0 m時，此時煤柱內部水平位移量快速增長，而當煤柱寬度6.0~8.0 m時，水平位移增長幅度有所降低，煤柱抗水平變形能力增強。

3）隨著煤柱寬度不斷增大，巷道頂板和巷道兩幫移近量呈現出逐步減小的趨勢，同時綜合不同煤柱寬度下的煤柱受力及水平變形得出，最佳煤柱寬度為6 m。