基于能量耗散留设窄煤柱合理尺寸研究

2019-10-11何凯

煤 2019年9期

何凯

(潞安环能股份公司常村煤矿，山西长治 046102)

在我国浅部煤炭资源逐渐枯竭，矿井转入深部开采的背景下，沿空掘巷作为一种绿色开采技术，经多年发展已经普遍应用于我国众多深部矿井开采。沿空掘巷不仅能够有效提高煤炭采出率，而且能够缓解沿空巷道应力集中的现象，保障采煤工作面的安全正常回采[1-2]。沿空掘巷可以分为完全无煤柱沿空掘巷和留窄煤柱沿空掘巷，其中留窄煤柱沿空掘巷应用较为广泛[3]，然而当前众多研究中，针对窄煤柱留设的模拟研究方法一般采用塑性区、位移等因素进行分析确定，对基于能量研究的方法却很缺乏，而且能量是导致煤柱发生破坏的本质原因。因此本文基于某矿2101W工作面的实际条件，利用能量法进行窄煤柱留设尺寸的确定，为矿井煤柱设计提供理论依据。

1 工程背景

某矿2101W工作面埋深635.5 m，煤层平均厚度3.0 m，煤层倾角16～20°，平均18°，工作面采用全部垮落法综合机械化采煤法，2101W工作面相邻区段工作面已采毕，如图1所示，原先矿井相关工作面布设25 m煤柱，但回采巷道依旧变形严重，而且也降低了煤炭采出率。2101W工作面采用沿空掘巷技术，沿空巷道为回风巷，巷道断面如图2所示，同时为了更好进行沿空巷道布置，2101W工作面采用钻孔应力计进行侧向支承应力的监测，峰值在临空煤体约13.2 m处。

2 沿空掘巷窄煤柱理论尺寸确定

依据沿空掘巷定义(此处均指留设窄煤柱沿空掘巷)，沿空巷道通常被布置在临近破碎区的沿临空煤体塑性区内，因此基于文献[4]，由于煤体破碎区边界处煤体所受应力等于原岩应力，边界处的应力集中系数为1，有下列公式：

图1 2101W工作面巷道布置

图2 巷道断面示意(mm)

(1)

式中：m为采高，取m=3.0 m；α为煤层倾角，取α=15°；A为侧压系数，取A=0.5；γ为上覆岩层平均体积力，取γ=0.27 MN/m3；H为巷道埋深，取H=532.5 m；φ0为煤体内摩擦角，取φ0=32°；C0为煤体内聚力，取C0=3.0 MPa；Px为上区段工作面巷道煤帮的支护阻力，取Px=0.4 MPa。

为保证煤柱安全稳定，方便打设锚杆(索)，通常设计一定的安全尺寸，即如图3所示，图中X1为(1)式x0所表示的破碎区宽度，X2为支护构件长度，一般为锚杆长度，此处取2.4 m，X3为煤柱安全尺寸，该尺寸与X1和X2存在关系，即X3=(X1+X2) (15%～30%)。

图3 沿空掘巷窄煤柱宽度

则有：

B=X1+X2+X3

(2)

基于前述数据可计算理论条件下煤柱尺寸范围B=6.29～7.11 m。下一步将通过不同煤柱能量释放量对煤柱尺寸进行综合判定。

3 沿空掘巷窄煤柱留设数值模拟

3.1 模型参数

基于理论计算的煤柱尺寸范围，设计煤柱尺寸方案：6 m，7 m，8 m，9 m，同时建立如图4所示的FLAC3D模型，模型前后左右方向边界水平固定，底部边界垂直固定，模型尺寸为400 m×400 m×310 m，并在模型顶部施加垂直应力σzz=16.3 MPa，模拟模型顶部至地表的原岩应力，其中模型中各岩层参数如表1所示。

表1 模拟所需各岩层参数

图4 数值模型

3.2 窄煤柱能量耗散分布

巷道煤体能量逐渐耗散将导致煤体发生破坏，基于热力学第一定律[5]，如式(3)所示，当外界对煤体做功时，即U，煤柱将产生发生形变，在形变过程中伴随着能量释放，其中Ue表示煤体内部可释放弹性能逐渐释放的过程，当可释放弹性能超过煤体表面可抵抗破坏的最大表面能时，煤体将发生破坏，而未耗散的能量将储存在煤体内部，即Ud，因此当煤体可释放应变能越大时，表示煤体越不稳定，即煤柱越容易发生破坏。

Ud=U-Ue

(3)

基于该准则，利用FLAC3D设计程序对上述四种煤柱方案进行模拟，提取数据制成如图5所示的不同方案下的煤柱可释放弹性能分布云图，图6为四种煤柱方案可释放弹性能最大值分布图。

由图5可知，从整体观察，可释放弹性能范围和高度随着煤柱宽度的增加而增大，其中煤柱6～7 m变化不大，但煤柱在7～9 m时变化明显，说明煤柱6 m到7 m时，煤柱内部整体比较稳定，这是由于煤柱大部分已为破碎区，能量释放已趋近平稳，而煤柱增大后，煤柱破碎区范围占据逐渐减小，而且随着煤柱尺寸的增加，沿空巷道逐渐远离低应力区，造成煤柱受侧向支承应力峰值影响强烈，基于工程背景，侧向应力峰值位置为13.2 m，巷道宽度4.5 m，则煤柱为8 m时，沿空巷道已临近侧向支承应力峰值，即煤柱受侧向支承应力峰值的影响增强，当煤柱为9 m时，沿空巷道正处于侧向应力峰值下，煤柱也因此受到更加强烈的峰值应力影响。

由图6可知，煤柱为6 m时可释放弹性能432 kJ，7 m煤柱时可释放弹性能451 kJ，相应8 m煤柱为536 kJ，9 m煤柱为622 kJ，即7m相对于6 m煤柱，能量增长幅度为4.40%，而8 m相对于7 m煤柱和能量增幅18.85%，9 m相对于8 m增幅16.04%，即当煤柱超过7 m后，能量释放增幅均为两位数，结合图5分析，确定在煤柱为8 m和9 m时，煤柱的整体稳定性开始下降，同时6 m煤柱虽然能量释放值比7 m煤柱小，但是基于煤柱理论范围，以及煤柱承载能力等方面考虑，7 m效果较6 m煤柱更合适。