大采高沿空留设小煤柱宽度优选

徐留军

(山西新村煤业有限公司,山西 长治 046000)

目前我国内蒙地区煤炭资源丰富,煤层埋藏地质条件好,易采出。合理的布置巷道,设计低成本、高效益的煤柱留设尺寸,降低煤矿的生产成本,有助于提高经济效益。

蒋力帅[1]通过改进的FLAC3D本构模型,基于工程岩体的裂化演变,模拟了大采高沿空巷道力学特征演化,分析优化了大采高沿空巷道煤柱尺寸。谢福星[2]基于小煤柱自身稳定性与宽度的关系,从降低应力的角度,确定了大采高小煤柱的安全合理宽度。徐乃忠[3]围绕大采高工作面沿空掘巷破坏变形严重,根据煤柱的弹塑性理论,分析得出了大采高小煤柱塑性区及应力的分布规律。冯吉成[4]采用弹塑性理论计算、FLAC数值分析及煤柱应力实测的方法,综合研究了大采高工作面小煤柱留设的尺寸,解决了深井大采高工作面因留设大煤柱导致的煤炭资源丢失难题。余忠林[5]建立了大采高工作面小煤柱的力学模型,运用FLAC2D4.0程序,得到了大采高工作面小煤柱内的塑性区、围岩变形分布规律。

内蒙某矿3号煤是厚煤层,为提高3号煤的采出率，提高经济效益,现通过地质资料建立采场数值模型,研究分析3号煤留设小煤柱的合理尺寸。

1　工程地质条件

3号煤工作面位于井田西部,向西为井田的边界,地面无建筑物和其它设施。3号煤层厚度约为6.6 m,埋深200 m,煤层倾角平均为2°～5°,为近水平煤层,煤层夹矸约为0.1 m～0.2 m,煤层构造较为简单,煤层顶板为砂质泥岩、细砂岩、中砂岩等,厚度约为30 m,煤层底板主要为泥岩,厚度约为12 m。大采高沿空掘巷留设小煤柱垂直剖面示意图见图1。

图1　大采高沿空掘巷留设小煤柱垂直剖面示意图Fig.1　Vertical section of large-mining-height along gob-side entry driving

2　数值模拟分析

2.1　数值模拟模型建立

为提高大采高工作面的煤炭采出率,需要研究沿空掘巷小煤柱的宽度尺寸,小煤柱是将煤柱留设在采空区侧向支承应力峰值以内,从而使沿空巷道也在峰值区以内。相比较大的区段煤柱,小煤柱在避开应力高峰的同时可以提高煤炭采出率。

以该矿工程地质资料为背景,运用FLAC3D软件,建立数值模拟模型,模型尺寸为长×宽×高=100 m×1 m×48 m,模型底面边界限制X、Y、Z方向的位移,模型上部边界采用应力边界,施加垂直应力,考虑上覆岩层自重,因此加到模型上部边界的应力为4.25 MPa(取上覆岩层容重为γ=25 000 N/m3),模型左侧留设20 m边界煤柱以消除模拟中的边界效应,工作面宽度范围是20 m～70 m,沿空巷道尺寸:长×宽=4 m×3 m。建立的数值模拟模型见图2。模型建立完成后,将模型各岩层物理力学参数进行赋值,具体赋值参数如表1所示。

图2　数值模拟模型图Fig.2　Model of numerical simulation

表1　各岩层物理力学参数Table 1　Rock physical and mechanical parameters

2.2　数值模拟结果分析

为研究留设不同尺寸的沿空小煤柱,需对小煤柱垂直应力分布及其影响范围和巷道的围岩变形进行分析探讨。本模拟小煤柱宽度分别为3 m、4 m、5 m、6 m和7 m,先进行模型初始地应力平衡计算,平衡计算完成后,将模型进行大采高工作面开挖,开挖完成后,进行小煤柱各尺寸计算分析,图3为不同煤柱宽度时的围岩应力分布云图。

3-a　3 m小煤柱宽度

3-b　4 m小煤柱宽度

3-c　5 m小煤柱宽度

3-d　6 m小煤柱宽度

3-e　7 m小煤柱宽度图3　不同煤柱尺寸下围岩垂直应力变化云图Fig.3　Nephogram of vertical stress of surrounding rock under different coal pillar width

由图3-a可以看出,当小煤柱宽度留为3 m时,煤柱中心区域蓝色较深,最大应力值为23 MPa,说明煤柱处于应力集中升高状态,此时的煤柱不稳定易发生破坏;由图3-b可以看出,当小煤柱宽度留为4 m时,最大应力值为22 MPa,说明此时煤柱仍处应力升高的态势,煤柱不稳定;由图3-c可以看出,当遗留煤柱宽度留为5 m时,最大应力值为20 MPa,此时的煤柱应力集中趋势减弱甚至开始下降；由图3-d可以看出,当小煤柱宽度为6 m时,最大应力值为18 MPa,此时的煤柱应力值大幅降低,沿空巷道处在应力降低区内；由图3-e可以看出，当小煤柱宽度留为7 m时, 最大应力值为17 MPa,应力集中虽有降低但是降低的幅度不明显。总体上的趋势是:随着煤柱宽度的增加,煤柱应力开始降低,说明煤柱内部产生弹性核区,煤柱具有一定的承载能力,5 m的小煤柱宽度比较合理,留设7 m的时候,煤柱弹性核区范围开始增加,只要有弹性核区,煤柱就有承载能力,留设7 m浪费煤柱资源而不合理。

取煤层中部垂直应力监测线(x=70 m～90 m,y=0.5 m,z=14 m),每隔1 m取1个监测点,得到不同遗留煤柱宽度的垂直应力监测曲线图,见图4。

图4　不同遗留煤柱宽度的垂直应力曲线图Fig.4　Plasiticity of surrounding rock in driving roadways under different coal pillar width

图4中应力为0 MPa的区域为巷道的范围,从曲线的走势上看,当煤柱宽度为3 m、4 m时,巷道处于煤柱支承应力升高区域内;煤柱宽度为5 m、6 m、7 m时,巷道处于在煤柱应力降低区域。但是留5 m时的煤柱应力峰值依然较高,峰值为23 MPa,留7 m时煤柱的应力峰值降低的趋势不是很大,所以留设7 m煤柱浪费煤柱资源,不符合现场生产效益的要求。所以,留设6 m小煤柱不管是从煤柱承载稳定性还是煤炭的采出率上来说都是最为经济合理。

3　现场工业性应用

2017年1月20日,在该矿303工作面材料巷进行了沿空掘巷煤柱留设工业性试验,效果如下:

滞后工作面5m范围内,工作面推进度未达到下位老顶来压步距,巷道变形不剧烈;滞后工作面5m～18m范围内,工作面推进度达到下位老顶来压步距,老顶剧烈变形影响巷道围岩变形;滞后工作面18m～60m范围内,下位老顶和上位岩层分次垮落致使巷道变形继续增加,但变形速度减缓;滞后工作面距离大于60m时,顶板稳定结构形成,围岩变形量趋于稳定。巷道顶底板在滞后工作面约14m处变形最为剧烈,顶板下沉速度为30mm/d,底鼓速度为23mm/d，巷道实体煤帮在滞后工作面约14m处变形最为剧烈,变形速度

为45 mm/d,顶板下沉量、底鼓量、实体煤帮变形量累计分别为196.5 mm、147 mm、251 mm。

可见,回采期间巷道的表面位移一般在300 mm以内,巷道围岩变形得到了较好的控制,总体效果较好。

4　结论

通过数值模拟结果分析可知:当留设3 m、4 m煤柱时,沿空巷道处在采空区侧向支承应力集中升高的区域内,此时的煤柱极不稳定已发生破坏;留设5 m、6 m、7 m煤柱时,沿空巷道处在采空区侧向支承应力降低区域内,但是5 m煤柱的应力峰值依然较大,为21 MPa,煤柱不稳定,不易采取。留设7 m煤柱时,煤柱应力已经处于稳定,导致留设宽度较大而浪费煤柱资源。所以,该矿留设6 m的小煤柱时是最经济合理的。