三元福達煤業大采高區段煤柱優化分析

張炳林

（山西煤銷集團長治有限公司，山西長治 046000）

三元福達煤業大采高區段煤柱優化分析

張炳林

（山西煤銷集團長治有限公司，山西長治 046000）

針對三元福達礦區段煤柱設計偏大、采區采出率較低的生產實際問題，綜合采用現場實測、數值模擬、理論計算等方法，對三元福達礦大采高區段煤柱寬度進行優化分析。理論分析與現場實測表明：煤柱采空區側形成的的塑性區寬度為6.31m，工作面回采擾動形成的塑性區寬度為6～8m，煤柱內彈性區寬度取4.31m。據此結合煤層賦存條件，通過三維數值模擬軟件對不同煤柱寬度下應力及位移分布特征進行了分析，確定區段煤柱合理寬度為19m。

大采高；塑性區；區段煤柱；優化分析

煤層開采過程中，煤柱作為護巷、巖層控制及防水隔離的方法，一直沿用至今。煤柱尺寸的留設關系到巷道受采動破壞的程度，是影響工作面采動期間巷道圍巖穩定性的主導因素。隨著開采程度的加大，煤炭資源日益減少，國內大多數礦區已針對煤柱合理寬度的留設開展了相關的研究工作，并進行了應用實踐，且取得了較為顯著的經濟效益。目前國內外學者針對煤柱合理寬度的留設進行了大量的研究工作[1-3]，主要集中在：基于礦山壓力巖層理論確定的煤柱寬度計算方法；運用數值模擬軟件分析煤柱變形規律，確定合理煤柱留設尺寸；根據現場實測結果，通過數理統計、歸納得出合理煤柱留設尺寸；根據巖體極限平衡理論，分析護巷煤柱合理寬度計算公式；分析煤柱塑性區寬度的計算公式。筆者在調研三元福達礦煤層具體賦存條件及回采巷道布置現狀的基礎上，綜合采用現場實測、數值模擬、理論計算等方法對三元福達礦大采高區段煤柱寬度進行了優化研究。

1 基本概況

三元福達煤礦目前主采15號煤層，煤層厚度3.70～4.97m，平均4.47m，含1-4層泥巖及炭質泥巖夾矸，埋藏深度220～400m，煤層傾角2°～14°，平均普氏硬度系數0.96。煤層直接頂多為泥巖、砂質泥巖，普氏硬度系數2.8～3.7，基本頂為粉砂巖、細砂巖，普氏硬度系數6.9～10.1。

15號煤層采用一次采全高大采高開采技術，工作面傾向長度180m，順槽斷面呈矩形，掘進凈斷面寬4.5m，高4.0m，采用錨網索進行支護，設計區段煤柱寬度25m。鑒于礦井煤炭資源儲量少、服務年限短的問題，在確保煤礦安全生產的前提下，科學合理地確定煤柱寬度，以減少煤柱損失量、提高礦井的資源回收率，延長礦井服務年限對三元福達煤礦而言具有重要意義。

2 煤柱內塑性區及彈性區寬度確定

2.1 采空區側塑性區寬度

工作面推進后，采場周邊煤柱內圍巖應力重新分布，自煤柱體邊緣至煤體深處，依次呈現破裂區、塑性區、彈性區及原巖應力區。已有研究成果將模型簡化為彈性力學的平面應變問題[4]，經推導計算，得塑性區寬度R0為：

根據三元福達礦15號煤巖物理力學參數測試結果[5]，代入得工作面回采后采空區造成的塑性區寬度R0為6.31m。

2.2 巷道側塑性區寬度實測分析

為更清楚的掌握采動過程中煤體內塑性區的變化特征，采用KS-II型鉆孔應力監測系統，針對工作面回采階段煤柱側應力分布特征進行實時監測。統計分析監測數據，見圖1。由圖可知，采動期間煤柱內應力變化特征：煤柱內3m深度處開始出現應力集中現象，6～8m深度處為應力峰值區域，10m以外為原巖應力狀態，隨工作面推進應力不再發生變化。

根據上述分析可知，工作面回采造成的煤柱內塑性區寬度R為6.0～8.0m。

2.3 煤柱彈性區寬度確定

回采實踐表明，護巷煤柱保持穩定的基本條件是：煤柱兩側產生塑性變形后，煤柱中央仍能保持一定寬度的彈性核區。研究表明[6]，其采空區側及巷道側彈性區寬度為：

采空側彈性區寬度

巷道側的彈性區寬度

代入式（2）（3），得L+L1+L2=2.39+1.92=4.31m.

綜合上述分析，初步確定三元福達煤業大采高煤柱寬度B=R0+R+L=6.31+（6.0～8.0）+4.31＝16.62～ 18.62m。

3 合理區段煤柱寬度模擬分析

3.1 模擬方案

為了更合理的評價煤柱的穩定性及煤柱寬度的合理性，采用FLAC數值模擬軟件進一步進行了驗證分析。選取14m、16m、18m、20m、22m、24m、26m及28m不同寬度煤柱，對煤柱內的應力分布特征及破壞情況進行了分析。模型尺寸為500m×200m，上邊界施加垂直載荷5 MPa，以模擬上覆巖層重力，左右邊界施加水平位移約束，模型如圖2所示。

3.2 結果分析

圖3、圖4為不同煤柱寬度下應力分布特征及分布曲線。分析煤柱內應力分布特征可知，當煤柱寬度小于18m時（見圖3-a、3-b及圖4），煤柱兩側側向支承壓力在煤柱內相互疊加，支承壓力表現為“單峰”現象，煤柱內載荷急劇增大，集中應力達到42 MPa；當煤柱寬度增加至18m及18m以上時（見圖3-c至3-h及圖4），煤柱內支承壓力出現了明顯的“雙峰”現象，兩側峰值明顯減弱；當煤柱為20m時，煤柱中央出現了7m左右的彈性核區，當煤柱寬度繼續增加時，煤柱中彈性核區不斷擴展。

圖5為不同寬度煤柱下巷道煤壁的變形位移曲線，分析煤柱煤幫變形規律可知，當煤柱寬度由14m增加至28m的過程中，巷道煤幫變形位移量呈現先急劇減小，后逐漸趨于穩定的狀態。當煤柱寬度達到18m時，巷道煤幫變形位移量由0.53m降至0.39m，且開始逐漸趨于穩定；當繼續增加煤柱寬度至20m以上時，巷道煤幫變形量變化幅度較小，趨于穩定。

綜合以上不同寬度下煤柱圍巖應力及變形位移分析，建議煤柱寬度應不低于18m。

4 結束語

綜合現場實測、理論計算及數值模擬方法對三元福達煤礦15號煤層大采高開采合理區段煤柱進行了分析，最終確定合理區段煤柱寬度為19m。該研究成果為國內相似礦井的巷道布置提高了理論基礎，對于緩解礦井資源緊張，提高資源回收率具有重要意義。

Optimization on Large-mining-height Section Coal Pillars in Sanyuan Fuda Mine

ZHANG Binglin
(Changzhi Co.,Ltd.,Shanxi Coal Transportation and Sales Group,Changzhi 046000,China)

In Sanyuan Fuda Mine,there are some problems in production such as large section coal pillars and lowmining rate.The pillar width in large-mining-height section was optimized through an integratedmethod with fieldmeasurement,numerical simulation and theoretical calculation.The study results show that the width of plastic zone caused bymined-out area,bymining disturbance,and in the pillars is 6.31m,6.0m-8.0m,and 4.31m,respectively.Based on occurrence condition,the 3D numerical simulation on the stress and displacement distribution under different pillar widths determines the rational width ofthe section pillars tobe 19m.

large-mining-height;plastic zone;section coal pillar;optimization analysis

TD322

A

1672-5050（2015）05-0058-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.019

（編輯：樊敏）

2015-05-18

張炳林（1965-），男，山西長治人，大學本科，高級工程師，從事生產技術及管理工作。