常村煤矿2106工作面切顶卸压后停采煤柱合理宽度确定研究

吕维赟

(潞安化工集团有限公司，山西 长治 046000)

目前常村煤矿2106工作面的停采线保护煤柱尺寸留设宽度为70 m，煤炭资源不能得到充分回采。采用合适的切顶卸压措施能够切断末采期支承应力的传递路径，因此可以缩小保护煤柱，同时可以保护采区大巷的稳定。本文采用针对连续介质模型的有限元数值计算程序FLAC3D进行数值模拟计算，分析切顶卸压后的停采线煤柱合理宽度。

1 2106工作面地质条件

2106工作面主采3号煤层，工作面宽度308 m，工作面沿推进方向上被落差为10 m的大断层隔断，2106内切眼至第一停采线的距离为412 m，2106外切眼至第二停采线的距离为570 m。第二停采线为工作面的最终停采线，最终停采线距离470东翼1号回风巷的保护煤柱宽度70 m。2106工作面北部与2107工作面相邻(未开采)，南部与2101采空区相邻，2106胶带巷道距离采空区的距离为40 m。2106底抽巷与2106轨道巷的水平距离为25 m，巷道顶板距离3号煤层底板垂直距离为22 m。工作面平面图如图1所示。

图1 2106工作面平面布置图

2106工作面开采的3号煤层厚度5.92 m，埋深约为430 m，煤层直接顶为泥岩，厚度3 m，老顶为中粒砂岩，厚度6.6 m，再向上延伸为泥岩与细砂岩的互层。直接底为泥岩，厚度1.2 m，老底为细粒砂岩，厚度1.5 m。其中老顶6.6 m厚的中粒砂岩为厚度较大的坚硬岩层，在末采停采线位置容易形成长悬顶，造成强矿压显现，因此成为重点控制的对象。岩层柱状图如图2所示。

图2 2106工作面煤层地质柱状图

2 数值模拟模型的建立

根据常村煤矿2106工作面生产地质条件，工作面宽度308 m，煤层厚度5.92 m，埋深430 m，利用FLAC3D在数值模拟软件建立数值计算模型，模拟2106工作面与采区大巷煤柱宽度50 m、60 m、70 m和80 m共4种情况，分析切顶卸压前后不同停采线煤柱宽度下采区大巷的变形特征。模型长400 m，宽350 m，高60 m。模型的底部和左边界约束水平方向位移，模型底面约束垂直方向位移，模型顶部边界为自由面，并在模型顶部施加等效于上部覆岩重力的均布载荷9.25 MPa，本构模型选择摩尔库伦模型。模型中力学参数如表1所示,建立模型如图3所示。

表1 岩层物理力学参数

图3 FLAC3D数值模型图

开挖步骤：开挖采区准备巷道—开挖2106工作面—停采线附近保留不同宽度的保护煤柱—观测采区准备巷道的变形特征。

3 数值模拟结果分析

3.1 50 m煤柱宽度下采区准备巷道围岩变形量

由图4(a)以及图5(a)可以看出在未切顶的条件下，采区准备巷道两帮移近量为357 mm左右，巷道顶底板移近量为385 mm左右。由图4(b)以及图5(b)可以看出在切顶的条件下，采区准备巷道两帮移近量为237 mm左右，顶底板移近量为263 mm左右。经过切顶处理后，采区准备巷道两帮移近量减少33%左右，顶底板移近量减少31%左右。

3.2 60 m煤柱宽度下采区准备巷道围岩变形量

由图6(a)以及图7(a)可以看出在未切顶的条件下，采区准备巷道两帮移近量为291 mm左右，巷道顶底板移近量为324 mm左右。由图6(b)以及图7(b)可以看出在切顶的条件下，采区准备巷道两帮移近量为134 mm左右，顶底板移近量为155 mm左右。经过切顶处理后，采区准备巷道两帮移近量减少53%左右，顶底板移近量减少52%左右。

图4 切顶处理前后50 m煤柱条件下巷道两帮移近量图

图5 切顶处理前后50 m煤柱条件下巷道顶底板移近量图

图6 切顶处理前后60 m煤柱条件下巷道两帮移近量图

图7 切顶处理前后60 m煤柱条件下巷道顶底板移近量图

3.3 70 m煤柱宽度下采区准备巷道围岩变形量

由图8(a)以及图9(a)可以看出在未切顶的条件下，采区准备巷道两帮移近量为243 mm左右，巷道顶底板移近量为256 mm左右。由图8(b)以及图9(b)可以看出在切顶的条件下，采区准备巷道两帮移近量为64 mm左右，顶底板移近量为72 mm左右。经过切顶处理后，采区准备巷道两帮移近量减少73%左右，顶底板移近量减少72%左右。

图8 切顶处理前后70 m煤柱条件下巷道两帮移近量图

图9 切顶处理前后70 m煤柱条件下巷道顶底板移近量图

3.4 80 m煤柱宽度下采区准备巷道围岩变形量

由图10(a)以及图11(a)可以看出在未切顶的条件下，采区准备巷道两帮移近量为164 mm左右，巷道顶底板移近量为198 mm左右。由图10(b)以及图11(b)可以看出在切顶的条件下，采区准备巷道两帮移近量为46 mm左右，顶底板移近量为53 mm左右。经过切顶处理后，采区准备巷道两帮移近量减少72%左右，顶底板移近量减少73%左右。

图10 切顶处理前后80 m煤柱条件下巷道两帮移近量图

图11 切顶处理前后80 m煤柱条件下巷道顶底板移近量图

根据上述数值模拟结果，对比分析不同宽度的停采线煤柱在切顶前后的采区准备巷道变形量，绘制采区准备巷道的围岩变形特征曲线如图12所示。

图12 采区准备巷道围岩变形量图

4 结 语

1) 通过FLAC3D对2106工作面数值模拟结果表明，在末采期间进行切顶处理，可以有效的控制围岩变形。停采线位置切顶处理后，留设60 m保护煤柱的采区准备巷道采区准备巷道两帮移近量为134 mm左右，顶底板移近量为155 mm左右。留设50 m保护煤柱的采区准备巷道两帮移近量为237 mm左右，顶底板移近量为263 mm左右。

2) 当煤柱宽度从70 m增加到80 m时，经过切顶处理后，采区准备巷道两帮及顶底板移近量减少均在72%～73%左右，减少幅度不再增加，因此综合考虑巷道围岩的稳定以及煤炭资源的采出率，在进行切顶处理后，能保证采区准备巷道在服务期间的巷道变形量在可控范围内，满足生产的要求，2106工作面停采线煤柱留设尺寸可以减小为70 m。