不连沟综放面护巷煤柱尺寸数值模拟研究

2014-01-12周保平刘磊磊侯振胜

同煤科技 2014年1期

周保平刘磊磊侯振胜

（1.大同煤矿集团挖金湾煤业公司，山西大同 037042；2.蒙泰不连沟煤业公司不连沟煤矿，内蒙鄂尔多斯 100071）

0 引言

综采机械化长壁放顶煤开采方法中煤柱尺寸对工作面正常回采影响较大，尤其是在准格尔煤田的薄基岩厚煤层开采条件下，煤柱尺寸的合理优化就更加重要。煤柱尺寸不合理时，随着煤层覆盖厚度的加大，矿压显现更为剧烈，留设的煤柱片帮非常严重，巷道难以维护，对工作面正常回采造成影响[1]。如果仅仅加大煤柱尺寸，虽然能很好地维护巷道，保证工作面安全开采，但是留设的煤柱尺寸过大就浪费了宝贵的资源，也增加了煤层的自然发火的危险性，浪费资源的代价甚至超过巷道维护的费用，得不偿失[2]。

本文针对不连沟煤矿的地质条件进行煤柱尺寸合理优化，采用FLAC 软件对F6201 综放面护巷煤柱尺寸进行数值模拟。不连沟煤矿F6201 综放面现留设的煤柱尺寸为20 m。为验证20 m 煤柱的合理性，确定合理煤柱尺寸，分别对留设煤柱5 m、10 m、15 m、17.5 m、20 m、22.5 m、25 m、30 m、35 m时的留巷巷道垂直应力、水平应力、巷道变形和塑性破坏范围进行分析研究，保证工作面安全回采的同时，得出合理的煤柱尺寸，为煤矿节省更多的资源。

1 F6201 综放工作面基本情况

内蒙不连沟煤矿位于准格尔煤田北部，矿井主采煤层为石炭系上统太原组6#煤层。准格尔煤田煤层埋藏浅，煤层集中于浅部煤系地层。F6201 综放工作面东连6#煤回风大巷，北靠总进风巷，西部、南部均是未采区，工作面沿底板布置两顺槽，一进一回。该工作面走向长度765.8 m，倾斜长度249.6 m。煤层埋深为356.0 m～397.5 m，平均为376.75 m。F6201综放工作面回采煤层为6#煤层，倾角0°～8°，平均为4°，煤层平均厚度15.24 m。机采高度4.0 m，放煤高度11.24 m，采放比平均约为1∶3。煤层产状平缓，煤层倾角0°～8°，平均44°，裂隙较发育。6#煤层综合地质情况见第33 页图1。

2 数值模拟模型及计算分析

FLAC3D软件是建立在拉格朗日算法基础上的岩土力学数值计算软件。在采矿工程中，利用FLAC 软件可对采矿工程中围岩活动规律、巷道围岩稳定性问题涉及到的岩体力学特性、围岩压力、支护围岩相互作用关系、巷道与工作面的时空关系等复杂的力学问题进行全面研究。该软件主要适用模拟计算地质材料力学行为，特别是材料达到屈服极限后产生的塑性流动[3-4]。

2.1 模拟模型的建立

2.1.1 模型边界条件

模型四周边界均施加水平位移约束，底边界均施加水平位移及垂直位移约束。而模型的顶边界采用应力边界，应力为上覆岩层重力产生的均布载荷（见图2）。

图1 综合地质柱状

图2 物理模型和边界条件

2.1.2 模型选择和煤岩物理力学参数确定

本模型模型块体的本构关系采用莫尔-库仑模型进行计算[5-6]。由块体和节理的本构关系确定数值计算所需要的属性参数，根据已有的实验室测得数据和类似条件下模拟实验中所取的数值取F6201 工作面煤层及覆岩的物理力学参数及煤岩层接触面力学参数，见第34 页表1。

2.2 数值模拟对比分析

利用FLAC3D模拟原则及实际情况，经模拟计算可得出F6201 综放工作面留设不同尺寸煤柱条件下煤柱本身及上覆岩层的应力分布情况(见第34 页图3)、变形情况（见第34 页图4）。

表1 煤岩物理力学参数

图3 不同尺寸煤柱水平应力分布

图4 不同尺寸煤柱变形分布及变形量

3 数值计算结果分析

利用FLAC3D模拟原则及实际情况，经模拟计算可得出F6201 综放工作面留设不同尺寸煤柱条件下煤柱本身及上覆岩层的应力分布情况、煤柱应力及变形之间的相互变化数值关系，根据计算分析可得综合比对图（见图3、图4），得出不同煤柱宽度时煤体的破坏规律。

（1）随着工作面与巷道之间煤柱宽度的增加，煤柱处的垂直应力逐渐增大，煤柱宽度为5 m 时煤柱处垂直应力集中系数最大值达到1.2～1.4 左右；煤柱宽度为10 m～15 m 时，煤柱处靠近工作面一侧出现应力集中区，垂直应力集中系数最大值约为1.6～2.3；煤柱宽度为15 m～20 m 时，煤柱处垂直应力集中系数最大值保持在2.6 MPa。

（2）随着工作面与巷道之间煤柱宽度的增加，煤柱中弹性区的范围也逐渐加大。当工作面与巷道之间的煤柱宽度为5 m 时，整个煤柱完全塑性破坏，煤柱强度大幅降低；随着煤柱宽度的加大，煤柱中逐渐出现弹性区，弹性区在整个煤柱中所占的比例逐渐加大，直至煤柱宽度达到10 m～15 m 时，煤柱中弹性区的范围约占整个煤柱的1/2。

（3）随着工作面与回风巷道之间煤柱宽度的增加，煤柱的变形量逐渐减少，煤柱宽度为5 m 时，煤柱的变形量达260 mm～270 mm 左右；煤柱宽度为10 m～15 m 时，煤柱的变形量从260 mm 减少到240 mm 左右；煤柱宽度为15 m～20 m 时，煤柱的变形量维持在100 mm～130 mm 左右；煤柱宽度为25 m～35 m 时，煤柱的变形量维持在80 mm～100 mm左右。

4 合理煤柱尺寸确定

通过不同煤柱尺寸条件下煤柱应力变化及变形，结合侧向支撑压力分布（见图5、图6），确定工作面与回风巷道之间留设的煤柱尺寸为18 m～22 m 之间，建议保留20 m 的煤柱。在开采过程中对煤柱采用20 m 留设并进行观测，煤柱处垂直应力集中系数最大值保持在2.6 MPa，煤柱中弹性区的范围约占整个煤柱的1/2，煤柱的变形量趋于稳定，从F6201 综放面开采至结束，矿压显现基本稳定，未发生煤柱片帮现象。从整体开采观测情况来看，现采用20 m 的煤柱基本合理，得以使F6201 综放面顺利开采，为矿井节约了宝贵的煤炭资源，而且对其他同类型矿井的安全开采具有指导意义。