区段煤柱留设合理宽度FLAC3D数值模拟研究
2019-03-13庞新坤刘宏军
宋 平，庞新坤，刘宏军
(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210；3.开滦精煤股份有限公司范各庄矿业分公司，河北 唐山 063009)
目前，国内外煤矿大多数采用留设区段煤柱护巷方法，若留设的煤柱宽度过窄，能够提高煤炭采出率，但巷道围岩变形严重，尤其是巷道两帮变形量较大，造成巷道维护困难，若留设的煤柱宽度过宽，虽然有利于保护巷道围岩的稳定性，但煤炭损失严重，降低了煤炭采出率，因此留设合理宽度的护巷煤柱一直是煤炭工作者研究的重要课题[1-2]。
1 工作面概况
河北某矿6101工作面主采6#煤，煤层平均厚度3.0 m，煤层倾角平均10°，工作面走向长1 900 m，倾斜长150 m，平均埋深400 m，工作面煤层顶底板情况见表1。
6101工作面为首采工作面，由于无开采资料可借鉴，按经验需留设15 m区段煤柱，工作面煤炭损失严重，煤炭采出率较低。
表1 工作面煤层顶底板情况Table 1 The situation of coal seam roof and floor ofworking face
2 数值模拟
2.1 模型建立
以河北某矿6101综采工作面地质条件为背景，其中工作面巷道为顶宽5.2 m，底宽5 m，左帮高2.5 m，右帮高2.2 m的梯形，巷道采用锚网支护方式：顶板锚杆长2.4 m，共布置6根，排距0.8 m，其中两端锚杆成20°布置；左右帮锚杆长2.2 m，共布置3根，锚杆排距0.85 m，左右帮顶端锚杆距顶板0.5 m，成20°布置，左帮最底端锚杆距底板1.0 m，右帮最底端锚杆距底板0.8 m，中间锚杆沿两帮最顶、底锚杆正中间布置。
在不影响计算结果的情况下对模型进行简化，简化后的模型如图1所示，本次模拟研究计算中采用的岩石力学参数见表2。
图1 数值计算模型Fig.1 The model of numerical calculation
表2 数值模拟采用的岩体力学参数Table 2 The mechanical parameters of rock mass used in numerical simulation
岩石名称容重/(kg/m3)体积模量/GPa剪切模量/GPa内聚力/MPa摩擦角/(°)抗拉强度/MPa黏土岩2 5106.13.52.2350.85粉砂岩2 56010.88.12.8381.84炭质黏土岩2 5106.15.52.4371.24砂质黏土岩2 5205.96.02.5412.01细砂岩2 80012.112.54.3371.29钙质细砂岩2 75011.99.13.8381.766#煤1 3404.92.11.3210.15
2.2 模拟方案和模拟内容
本次模拟共设计留设煤柱宽度3 m、5 m、7 m、9 m、12 m、15 m、18 m和20 m八种方案，模拟采用FLAC3D数值模拟软件对留设不同宽度区段煤柱时，煤柱和巷道围岩应力分布规律及变形特征进行模拟研究分析[3-4]，主要研究内容包括：①留设不同煤柱宽度时，煤柱内应力和位移分布规律；②留设不同煤柱宽度时，巷道围岩应力和位移分布规律；③在上述分析基础上，并结合矿井实际开采条件，确定留设煤柱合理宽度B。
2.3 模拟结果分析
2.3.1 煤柱内应力和位移场分布
1) 应力。从图2中可以看出，煤柱内的垂直应力Szz随留设煤柱宽度的增加而增加，当留设煤柱宽度为3～5 m时，煤柱内垂直应力变化不大；当留设煤柱宽度为5～9 m时，煤柱应力由10 MPa增加至16 MPa；当留设煤柱宽度为9～18 m时，煤柱中垂直应力增加迅速，最大应力值达到29.8 MPa;当留设煤柱宽度为18～20 m时，煤柱应力变化增加不明显。模拟中还发现当留设煤柱宽度为5 m时，在煤柱中产生一个小的应力核;当留设煤柱宽度为7 m时，应力核应力增加至13 MPa。
随留设煤柱宽度的增加，煤柱内的水平应力变化较为明显。当留设煤柱宽度为3～5 m时，煤柱内水平应力增幅较缓；当留设煤柱宽度为7～15 m，煤柱内水平应力急剧增加，较大的水平应力容易使煤体发生剪切破坏，导致煤柱失稳；当留设煤柱宽度为15～20 m，水平应力增幅又变缓。
2) 位移。留设不同煤柱宽度时，煤柱水平位移量见表3。
图2 不同煤柱宽度煤柱应力分布曲线Fig.2 Stress distribution curves of coal pillars with different widths
表3 留设不同宽度煤柱向巷道侧和采空区侧移动最大值Table 3 The maximum movement of coal pillars ofroadway side and goaf side with different widths
宽度/m357912151820巷道侧移动最大值/mm67.153.349.344.644.644.543.944.2采空区侧移动最大值/mm3.120.418.39.68.77.98.38.9
其中，当留设煤柱为5 m和15 m时，煤柱内水平位移分布如图3所示，取向巷道侧移动量为正值。
通过研究分析发现：①当B<3 m，留设煤柱宽度较小，煤柱已破碎，呈整体状态向巷道内移动，位移量较大；②当5 m 2.3.2 煤柱宽度与巷道围岩稳定性 1) 不同煤柱宽度对巷道围岩变形量的影响。留设煤柱宽度不同对回采巷道围岩的变形有较大的影响[7]，如图4所示。 图3 回采期间煤柱水平位移分布Fig.3 Horizontal displacement distribution of coal pillar during stoping 图4 巷道围岩变形与留设煤柱宽度之间的关系Fig.4 The relationship between the deformation of roadway surrounding rock andthe width of coal pillars 巷道围岩变形与留设煤柱宽度之间的关系曲线可分为3段：①AB段，留设煤柱宽度为B<7 m，随着煤柱宽度的减小，巷道围岩变形略有升降但变化不大；②BC段，留设煤柱宽度为7 m 2) 留设5 m窄煤柱护巷。留设5 m窄煤柱时巷道围岩应力分布云图如图5所示。从图5中可以看出，当留设5 m窄煤柱时，在回采期间，煤帮受到相邻区段采动引起的侧向支承压力叠加作用，应力集中系数k=1.2～2.6，支承应力增大。 回采期间巷道围岩的位移云图如图6所示。巷道顶底板移近量374 mm，两帮移近量543 mm，在回采期间区段留设的窄煤柱产生塑性变形，窄煤柱在支承压力的作用下产生破坏，主要表现为巷道移近量增加。 2.3.3 合理煤柱宽度确定的结论 1) 当留设煤柱宽度小于5 m时，煤柱上应力值较小，煤柱已经破坏，不能承受较大的支承压力，巷道围岩变形量较大。 2) 当留设煤柱宽度为5～7 m时，煤柱承受的垂直和水平应力均较大，煤柱内出现应力核，煤柱为极限平衡状态，煤柱并未完全破坏，巷道围岩变形较小。 图5 回采期间围岩垂直应力分布云图Fig.5 The stress nephogram of surrounding rock during stoping 图6 回采期间围岩垂直位移云图Fig.6 The displacement nephogram of surrounding rock during stoping 3) 当留设煤柱宽度大于9 m时，煤柱内应力分布“分散”，其应力值并未达到强度极限，煤柱处于安全稳定状态。 4) 留设煤柱宽度对巷道围岩变形有较大影响，由巷道围岩变形与留设煤柱宽度之间的关系曲线可知，应将留设煤柱宽度布置在曲线中AB段或CD段，即留设煤柱宽度B<7 m或B>15 m。 结合该矿6100工作面实际开采条件，从煤柱和巷道围岩受力、变形以及提高采出率等角度出发，综合考虑后，确定区段之间留设煤柱宽度为5～7 m。 综合分析后，该矿采用留设区段煤柱宽度为6 m的方案，巷道支护采用原有支护方式，但将锚杆间排距变为600 mm×650 mm，回采期间巷道超前段60 m范围内，采用单体液压支柱加强支护，单体液压支架间排距600 mm×600 mm，通过对回采巷道围岩变形情况进行现场观测，观测结果见图7。 从图7中可以看出，随着工作面的不断回采，巷道围岩先后经历三个阶段[8]：无采动影响阶段(L>65 m)、采动影响阶段(15 m 图7 距工作面不同距离巷道表面位移量和移近速度曲线Fig.7 The surface displacement and velocity curve of the roadway with different distances from the working face 1) 通过采用FLAC3D数值模拟软件对留设不同宽度煤柱时，对煤柱内应力和位移分布规律进行了模拟研究分析，得出当留设煤柱宽度为5～7 m时，煤柱承受的垂直和水平应力均较大，煤柱内出现应力核，煤柱处于极限平衡状态，煤柱并未完全破坏，巷道围岩变形较小。 2) 通过研究分析留设不同煤柱宽度对巷道围岩变形的影响，得出留设煤柱宽度应布置在巷道围岩变形与留设煤柱宽度之间的关系曲线中AB段或CD段，即留设煤柱宽度B<7 m或B>15 m。 3) 在数值模拟的基础上，结合工作面实际情况，确定了留设6 m区段煤柱方案，并进行了工业性试验。通过现场观测发现，随着工作面的不断回采，巷道围岩先后经历无采动影响阶段、采动影响阶段以及采动影响剧烈三个阶段，巷道围岩处于可控范围之内，满足生产要求，同时减少了煤炭损失，提高了采出率。
3 现场实测
4 结 论
