厚煤层坚硬顶板下区段煤柱合理留设研究

张富荣

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿, 山西太原 030053）

1 概述

煤炭资源作为我国主要的能源消耗, 其每年在我国消耗的能源结构中占据7成以上的比重, 随着清洁能源技术的不断进步, 越来越多的清洁能源代替了化石能源的消耗, 但考虑到我国的清洁能源仍处于起步阶段, 产出的能源对于我国巨大的能源消耗量可谓杯水车薪, 所以在未来很长的一段时间, 煤炭资源的消耗仍是我国国民生产生活的重要依靠。随着开采年限的不断增加, 煤矿开采深度不断加大, 此时在进行煤层开采过程中, 由于采高较大, 使得巷道围岩变形情况严重[1], 造成巷道的支护煤柱尺寸增加, 浪费资源, 为了降低矿井煤柱尺寸, 本文以镇城底矿22113工作面工程背景, 通过理论分析结合数值模拟软件对不同煤柱宽度下巷道的受力变形情况进行研究, 旨在找到合理的煤柱留设宽度, 提升煤炭资源开采效率。

2 矿井概况及数值模拟研究

镇城底矿井田位于西山煤田的西北边缘, 距太原市64km, 矿区总面积22.8km2, 生产能力190×104t/a。井田含煤层地层为二叠系山西组及石炭系太原组, 可采煤层8层, 主采煤层为2#、3＃和8＃。煤层总厚度16.79m, 含煤系数为10.42%, 镇城底矿地质构造较复杂。

在双巷掘进过程中, 由于回风顺槽受到两次采动的影响, 使得矿井侧向矿压现象显现严重, 回采巷道变形较为严重, 巷道底板出现底鼓现象, 而区段留设煤柱也出现一定的变形, 所以需要对合理煤柱留设宽度进行研究。本文选定Flac3d数值模拟软件进行模拟研究, 首先进行模型的建立, 首先给定模型的长宽高分别为785m×220m×206m, 巷道的矩形断面尺寸为5m×4m, 对模型进行网格划分, 考虑到本文对计算精度的要求及计算时间的要求后, 对巷道附近进行细化分, 对距离巷道较远的部位进行粗划分, 完成网格划分后对模型的力学属性进行设定, 根据实际地质资料对其进行设置, 完成力学参数设置后对模型的边界条件进行设置, 限制模型四边的X、Y方向位移, 同时在模型的顶端施加覆岩自重16MPa的均布载荷, 完成模型设定后对模型进行模拟计算, 分别计算煤柱宽度为20m、25m、30m、35m和40m时, 随着工作面推进至100m[2]。巷道煤柱的应力图如图1所示。

从图1中可以看出, 当煤柱宽度为20m时, 此时的煤柱受到一次采动影响, 此时巷道围岩应力在巷道侧帮位置出现应力集中, 应力的最大值为24.11MPa, 而当煤柱宽度增加至25m时, 此时的应力最大值的位置与煤柱宽度20m时几乎相同, 应力最大值为23.9MPa, 可以看出, 受到一次扰动的影响, 煤柱宽度20m与25m时的应力值几乎不发生变化, 当煤柱宽度增大为30m时, 此时的巷道围岩受到一次采动影响, 巷道的最大值应力值为20.65MPa, 当煤柱宽度为35m时, 同样此时的围岩应力最大值与煤柱宽度30m时几乎类似, 而当煤柱宽度增大至40m时, 此时的巷道围岩最大应力值为20.56MPa, 虽然应力值为5种方案中最低的, 但其由于煤柱宽度尺寸较大, 煤炭资源浪费严重, 所以经济性较差, 所以可以得出最佳的煤柱宽度为30m[3]。

图1 不同煤柱宽度下巷道围岩应力图

对不同煤柱宽度下的巷道顶板底板及巷道两帮的移近量进行分析, 给出不同煤柱宽度巷道变形曲线如图2所示。

图2 不同煤柱宽度下巷道变形曲线

从图2可以看出, 随着22113工作面的推进次数的增加, 巷道顶板及底板变形量呈现逐步增大的趋势, 在推进次数为0～14次时（推进距离为140m以内时）, 此时巷道顶板底板的变形量随推进次数的增加变化趋势较小, 而当推进次数大于14次时, 此时顶板及底板的变形量增加的趋势逐步增大, 同时对比不同煤柱宽度下的巷道顶板底板移近量曲线可以看出, 随着煤柱宽度的增加, 巷道顶板底板移近量呈现减小的趋势, 但煤柱宽度30m、35m与40m时巷道顶板底板移近量变化趋势几乎类似, 观察不同煤柱宽度下巷道两帮的移近量可以看出, 随着推进次数的增加, 巷道两帮变形量呈现逐步增大的趋势, 当推进次数小于10次时, 此时的巷道两帮移近量增大幅度不大, 当次数超过10次时, 此时的巷道两帮移近量增大趋势明显增大, 同样可以看出煤柱宽度30m、35m与40m时巷道顶板底板移近量变化趋势几乎类似, 所以随着煤柱宽度的增大巷道两帮及顶板底板移近量变化趋势均减小, 顶板底板移近量最大为700mm, 两帮的移近量为200m, 根据变形分析可以看出, 最佳的煤柱宽度仍为30m[4]。

3 现场实践

为了对大采高下合理煤柱宽度进行研究, 对模拟结果进行现场实践, 选定合理煤柱宽度为30m, 对工作面顺槽表面的位移计锚索锚杆受力情况进行检测, 在工作面内部布置3个检测点, 监测点距离工作面的距离分别设定为50m、100m、150m, 分别在断面的上下左右中点位置布置监测点, 采用十字监测法对巷道的应力应变进行监测。

从图3可以看出, 距离工作面不同距离下巷道的两帮移近量及巷道顶板底板移近量曲线趋势大致相同, 随着距离工作面距离的增大巷道变形量明显较小, 在距离工作面100m以上时, 此时的巷道两帮移近量及巷道顶板底板移近量几乎为零, 当距离工作面30m时, 此时的巷道两帮移近量及巷道顶板底板移近量变化最为明显, 可以看出在距离工作面10m时, 此时巷道两帮移近量及巷道顶板底板移近量均为最大值, 但最大值均不超过250mm, 整体变形属于可控阶段, 所以煤柱宽度30m时, 巷道变形量可以达到目标要求[5]。

从图4可以看出, 刚安装好应力监测计时, 此时应力会出现一定幅度的降低, 这是由于安装时经过一定的加压, 安装完成后压力出现一定的下降, 压力区域稳定。在煤柱附近的压力值较大, 而随着工作面的推进, 压力逐步上升, 在距离工作面15m的位置时压力值最大, 压力的最大值不超过250kN, 整体受力状况较好, 煤柱30m留设合理。

4 结论

（1）通过数值模拟软件对不同煤柱宽度下巷道围岩应力图进行分析, 发现随着煤柱宽度的增大巷道围岩应力逐步降低, 但超过30m时下降幅度降低。

（2）通过对不同煤柱宽度下巷道围岩变形量进行分析, 发现随着推进次数的增加, 巷道顶板及底板变形量呈现逐步增大的趋势, 给出最佳煤柱宽度30m。

（3）对模拟计算得出的合理煤柱宽度30m进行现场实践, 发现巷道围岩的应力及巷道围岩变形均得到了有效的控制, 煤柱留设宽度较为合理。