軟煤層大采高工作面順槽煤柱尺寸留設的研究

姚少武

（山西威德睦方煤礦設計咨詢有限公司，山西 太原 030021）

軟煤層大采高工作面順槽煤柱尺寸留設的研究

姚少武

（山西威德睦方煤礦設計咨詢有限公司，山西 太原 030021）

在分析經驗法、現場實測法、理論計算法和數值模擬確定煤柱尺寸優缺點的基礎上，提出了利用理論計算、現場實測和數值模擬分析相結合的方法來確定軟煤層大采高工作面回采巷道的煤柱尺寸，并根據晉煤集團趙莊礦3305軟煤層大采高工作面生產實際，依照理論計算法求出煤柱留設尺寸，然后對巷道開挖前后不同煤柱尺寸下的圍巖應力、變形進行了數值模擬研究。最后，結合現場實測數據得出了巷道圍巖變形、煤柱受力與煤柱尺寸之間的關系，確定了該工作面煤柱留設的合理尺寸。實踐證明，在理論計算的基礎上結合數值模擬分析和現場實測是確定軟煤層大采高工作面煤柱尺寸的一種合理有效的方法。

煤柱尺寸；理論計算；數值模擬；實測

煤柱是回采巷道圍巖的重要組成部分，其穩定性與巷道圍巖控制、巷道維護成本及安全生產密切相關。煤柱穩定性是保證巷道穩定的關鍵因素，對于軟煤層大采高工作面而言，合理確定煤柱留設尺寸尤為重要。一般而言，煤柱尺寸越大對回采巷道穩定性維護越有利，但這也相對降低了煤炭回收率，如何兼顧資源回收與巷道穩定是確定合理煤柱尺寸留設的重要問題。為確保巷道穩定及資源回收，以趙莊礦3305軟煤層大采高工作面為例，進行了軟煤層大采高回采巷道煤柱尺寸確定的研究，3305工作面順槽煤柱留設方式如圖1所示。

圖1 3305工作面順槽煤柱留設方式示意圖

1 工作面概況

3305工作面開采二疊系下統山西3號煤，工作面地面平均標高1012m，煤層平均埋深500m。煤層以亮煤為主，夾帶狀鏡煤，整體表現疏松、質軟，其力學特征從下至上為：松軟—較硬—松軟。工作面傾向219.7m，走向1757.9m，煤層厚度3.5m～6.2m，均厚5.5m，煤層傾角1°～15°，平均傾角為8°，煤層賦存穩定。該工作面距開切眼952m處有一陷落柱，東西向長96m，南北向長47m。揭露28個正斷層，煤層節理總體較為發育，主要兩個方向，走向分別為45°～60°，135°～150°，以45°～60°方向節理密度大，節理面平直，裂隙緊密無充填，其它方向節理延伸短，節理面不夠平直，發育密度及規范性不強[2]。根據現場打鉆取芯和實驗室煤巖體物理力學參數試驗結果，對3305工作面圍巖物理力學參數分析評價如表1所示。

表1 3305工作面圍巖物理力學參數分析

2 煤柱尺寸的理論計算

2.1 常規理論計算

煤柱上的載荷是由煤柱上覆巖層重力和一側或兩側采空區懸露巖層重力轉移到煤柱上的部分重力所引起的，由常規理論計算公式[3]可導出：式中：σc為煤塊單軸抗壓強度，M P a；h為煤柱高度，m；B為煤柱尺寸，m；δ為采空區覆巖垮落角，°；γ為覆巖容重，k N/m3。

該礦3305工作面平均埋深500m，采空區寬度L約為220m，采空區上覆巖層垮落角取30°，煤層平均高度為5.5m，上覆巖層平均容重γ取為25k N/m3，該面的煤體單軸抗壓強度σc取為32.2M P a。

將上述參數帶入式1，得B≥64.4m。依照圖1所示順槽掘進方式，單個煤柱尺寸為b，由于B=2b，因此，煤柱的留設尺寸不應小于32.2m?？紤]3305軟煤層大采高工作面地質條件復雜，安全系數f取為1.2，則實際工作狀態下煤柱的留設尺寸考慮為38.5m。

2.2 塑性理論計算

合理的煤柱尺寸必須能夠保證煤柱的穩定性，而煤柱的穩定性與煤柱的應力狀態密切相關。煤柱中應力分布可分為彈性區和塑性區，因此可以通過各個分區的寬度來確定煤柱的合理寬度。合理煤柱尺寸B可以由式(2)計算得出[4]。B=xo+R+L. （2）

式中：xo為靠采空區一側塑性區寬度，m；R為靠巷道一側塑性區寬度，m；L為彈性區寬度，m。

3 煤柱穩定性數值模擬

3.1 模擬方案

依據理論計算，該軟煤層大采高工作面開采合理煤柱尺寸應不小于38.3m，運用FL A C 3D軟件分別按照煤柱尺寸為30m、35m、40m、45m、50m建立模擬模型，考察不同尺寸的煤柱的水平應力分布、垂直應力分布及順槽圍巖位移量，并評價其穩定性，據此評價結果確定煤柱的合理留設尺寸。

3.2 模擬結果分析

3.2.1 不同尺寸煤柱垂直應力分布

在3305工作面挖掘巷道，采區煤層應力會重新分布，在煤柱內形成側向支承應力。圖2為煤體上方支承應力分布曲線，其中水平應力和垂直應力均取自假定留設煤柱尺寸為30m～50m范圍時回采巷道頂板中部的煤柱側幫中部的水平主應力和垂直主應力值。

2-a 30m寬煤柱垂直應力分布 2-B35m寬煤柱垂直應力分布

圖2 不同尺寸煤柱垂直應力分布

由模擬結果可知，煤柱尺寸在30m～50m范圍內，水平應力遠小于垂直主應力。煤柱寬度為30m時，巷道左側煤柱中的最大垂直應力為35M P a，煤柱尺寸增加到35m時，垂直應力降低為31M P a，但應力集中區范圍增大。煤柱尺寸增加到40m后，垂直應力和應力集中區范圍不斷減小，但其減小速率漸趨平緩。

3.2.2 不同煤柱寬度時煤柱塑性區分布規律

不同尺寸煤柱支承應力分布如圖3所示。從數值模擬圖中可以看出：煤柱尺寸為30m和35m時，整個煤柱底板處于剪切破壞狀態，這時煤柱處于不穩定狀態；煤柱尺寸從40m增加到50m時，部分煤柱底板處于剪切破壞狀態，這時煤柱基本穩定，塑性區靠采空區側范圍較大。煤柱寬度大于40m后，隨煤柱尺寸增加，靠采空區側塑性區范圍變化較小。煤柱寬度從30m增大到50m過程中，巷道附近塑性區逐漸減小，煤柱尺寸超過40m后，塑性區范圍減小尤為明顯。

3-a 30m寬煤柱塑性區分布 3-B35m寬煤柱塑性區分布

圖3 不同尺寸煤柱支承應力分布

3.2.3 不同尺寸煤柱時巷道圍巖位移分布規律

煤柱尺寸分別為30m、35m、40m、45m、50m時，巷道圍巖位移分布如圖4所示。從圖中可以看出，圍巖位移隨煤柱尺寸的增加而減小，煤柱尺寸從30m增加到40m時，位移變化較快，而后變化較緩，說明煤柱在30m～40m范圍內，煤柱尺寸的增加對煤柱及巷道圍巖穩定性增強作用較為明顯，超過40m后，增加煤柱尺寸對煤柱及圍巖穩定性增強作用不明顯，故煤柱尺寸應確定為40m左右為宜。

圖4 不同煤柱尺寸巷道圍巖位移變化曲線

4 現場實測

4.1 測站布置

為了解軟煤層大采高煤柱實際受力情況，需要對3305工作面超前和滯后巷道的煤柱進行應力觀測。在工作面順槽共布置15枚鉆孔應力計進行煤柱應力觀測。

圖5 最大應力狀態時煤柱剖面應力分布

4.2 結果分析

由煤柱剖面應力分布曲線（圖5所示）可知，沿工作面傾向，煤柱應力峰值出現在距煤壁12.8m左右，在距采面6.5m處煤柱出現最大應力狀態，兩峰值間的煤柱應力曲線漸進于水平，據此推斷，煤柱尺寸在37m左右處于穩定狀態。若煤柱尺寸小于30m處于極不穩定狀態，尺寸在30m～35m處于臨界穩定狀態，據此推斷煤柱合理留設尺寸應不小于37m。

5 結語

（1）在理論計算的基礎上，根據實際情況進行數值模擬及現場實測分析，確定了3305軟煤層大采高工作面煤柱合理留設尺寸應為39m～41m。

（2）在確定軟煤層大采高巷道煤柱留設尺寸時，還應綜合考慮煤層強度、地應力大小和直接頂厚度等因素。對于煤層破碎、強度小，地應力大，直接頂較薄的工作面煤柱尺寸應相應增加，同時還應考慮到回采過程中的采動影響系數，以確定理論上煤柱的最大尺寸。

[1]奚家米，毛久海，楊更社，等.回采巷道合理煤柱寬度確定方法研究與應用[J].采礦與安全工程學報，2008，4(25):400-403.

[2]朱 濤，郝慶利，宋敏，等.軟煤層大采高長壁工作面礦壓觀測及顯現規律[J].太原理工大學學報，2009，41(2):205-208.

[3]陶占元.回采巷道護巷煤柱合理寬度的研究[J].中州煤炭，2008(5):20-22.

[4]劉進權.回采巷道護巷煤柱合理寬度的探討[J].山西煤炭，2009，29(1):22-34.

Research on Crossheading Pillar Retained Size on Large-mining-heighTWorking Faces in SofTSeams

YAO Shao-wu

(Weide Kuifang Mine Design and Consulting Co., Taiyuan Shanxi 030021)

On the analysis of strengths and weaknesses of coal pillar size measurement though some methods as experience method, field measurement method, theoretical calculation and numerical simulation,the pillar size of large-mining-height working face among soft seams were determined. According to the real situation of No.3305 soft seam of Zhaozhuang Mine and the theoretical calculation, the pillar retained sizes were also determined, and then the surrounding rock stress and deformation were studied through numerical simulation. At last, the relationship were concluded by the field data between surrounding deformation, pillar load and pillar size. The rational pillar retained size was determined. The practice proved the approach to be reasonable and effective.

pillar size; theoretical calculation; numerical simulation; field measurement

TD 822+.3

A

1672-5050（2011）10-0036-04

2011-06-22

姚少武（1983—）男，山西太原人，大專，助理工程師，從事煤礦設計及咨詢工作。

劉新光