采空區下薄煤層綜采工作面護巷煤柱合理寬度研究

魏希杰，范小娟，曹 龍，張 濤，李明哲

（神木匯森涼水井礦業有限責任公司機電部，陜西 榆林 719300）

采空區下薄煤層綜采工作面護巷煤柱合理寬度研究

魏希杰，范小娟，曹 龍，張 濤，李明哲

（神木匯森涼水井礦業有限責任公司機電部，陜西 榆林 719300）

為研究近距離淺埋煤層群下部薄煤層回采過程中護巷煤柱的寬度，以涼水井礦431盤區工作面護巷煤柱為研究對象，采用理論分析和數值模擬的方法，研究了不同煤柱寬度對煤柱穩定性的影響，為類似開采條件下的煤柱留設提供了參考。

護巷煤柱；薄煤層；淺埋煤層；近距離煤層

近年來隨著煤炭資源的高速開采，我國許多礦井厚煤層資源逐漸趨于匱乏，為了延長礦井的開采年限節約煤炭資源，許多礦井開始進行薄煤層的開采[1-3]。陜西匯森煤業開發有限責任公司涼水井煤礦目前主采4-2煤層，4-2煤層工作面生產能力在600萬t/a左右，為了達到礦井擴建后800萬t/a的開采規模，礦井計劃在4-3煤層布設薄煤層工作面對4-2煤層進行配采。為了實現對4-3煤層的安全高效開采，需要合理的設計工作面的護巷煤柱。護巷煤柱的寬度是工作面的重要參數之一，要求護巷煤柱的寬度不僅能提高煤炭的采出率，而且要保證工作面在回采過程中煤柱能保持穩定。為了確定合理的煤柱寬度，采用理論分析和數值模擬兩種方法進行研究。

1 工程地質條件

涼水井礦4-3煤層431盤區位于4-2煤層421盤區正下方，兩煤層平均間距為24.92 m，上部421盤區已基本回采完成，殘留的工作面保護煤柱為15 m。431盤區煤質以暗煤、亮煤為主，煤層內生裂隙不甚發育，外生裂隙常被方解石脈及黃鐵礦薄膜充填，煤層厚度1.05～1.4 m，平均1.14 m，傾角為0° ～1°，屬近水平煤層，密度為1.29 t/m3，煤層普氏硬度為3，煤層埋深103～190 m，平均142 m，基載比小于1，屬于典型的淺埋煤層；頂板以細粒砂巖為主，粉砂巖和中砂巖次之，單軸抗壓強度為50～70 MPa，巖性較穩定。底板以粉砂巖為主，局部為細粒砂巖或泥巖，厚度0.66～14.25 m，偶見泥巖底板，底板單軸抗壓強度為50～70 MPa，較為堅硬。

2 理論分析

護巷煤柱受回采巷道及采空區的影響，煤柱邊緣區的煤體會受到不同程度的破壞，在采空區和回采巷道形成后，應力會不斷的向煤柱深部發展，直到煤柱的承載強度和支承壓力達到極限平衡狀態，煤柱就處于穩定的狀態，見圖1。護巷煤柱兩側分別為采空區和回采巷道，在采空區一側護巷煤柱形成塑性變形區x0，在回采巷道一側形成塑性變形區x1。煤柱寬度的確定原則是在保證煤柱及回采巷道穩定的前提下，最大程度的提高煤炭采出率。

研究表明[4-8]：區段煤柱保持穩定的基本條件是要使得護巷煤柱煤柱中央存在一定寬度的彈性核并且彈性核的寬度一般不小于護巷煤柱高度的1～ 2倍。由于4-3煤上部的4-2煤層已經回采，因此考慮到上部煤層開采殘留煤柱的影響，取彈性核的寬度為開采厚度的2倍。綜合得到區段煤柱保持穩定狀態的寬度表示為：式中：B為煤柱合理寬度，m；x0為采空區在區段煤柱一側形成的塑性區寬度，m；h為煤柱高度即回采巷道高度，取2.25 m；x1為巷道在區段煤柱另一側形成的塑性區寬度，m。

運用巖體的極限平衡理論得采空區形成的塑性區寬度x0為：式中：K為應力集中系數，取3.5；P為支架對煤幫的阻力，取0.1 MPa；M為采高，取1.4 m；C為煤體的粘聚力，取2.2 MPa；H為煤層埋深，取142 m；f為煤層與頂底板摩擦因數，取0.25為煤體的內摩擦角，取33°；ξ為三軸應力系數。

同樣地運用極限平衡理論巷道形成的塑性區寬度x1為:

式中：α、k為廣義Mises準則系數，

結合431盤區工作面條件，已知巖層容重γ取2.5 kN/m3，C為2.2 MPa，帶入公式得出：當煤柱寬度不小于9.4 m時，煤柱實際承受的載荷低于極限載荷，煤柱不會失穩。

3 數值模擬

利用FLAC3D模擬軟件分析區段煤柱中應力分布及應力狀態，進而確定合理的區段煤柱尺寸。

1）模型建立:根據涼水井4-3煤層地質條件，模型尺寸（長×寬×高）為200 m×1 m×180 m，模型如圖2所示。模擬過程中，4-2煤層殘留煤柱為15 m，左側70 m和右側115 m為采空區，模型左右施加位移邊界條件；模型高度為180 m，由工作面老底延伸至地表，模型上部邊界初始應力為0 MPa，下部施加位移邊界條件，模型前后選擇位移邊界條件，采用摩爾-庫侖屈服準則，依據問題的需要，煤柱寬度模擬方案分別為5 m、10 m、15 m、20 m。

2）模擬結果分析:上部4-2煤開采后，下部431盤區薄煤層工作面護巷煤柱左側工作面已回采右側為回采巷道，右側回采巷道右幫到實體煤應力分布曲線如圖3所示，區段煤柱寬度為5 m時，右側巷道右幫實體煤中應力峰值為5.45 MPa，應力集中系數為1.65，影響范圍約8 m，應力峰值隨區段煤柱尺寸增大而減小，其中區段煤柱寬度由5 m增加到10 m時應力峰值下降最大，其次是10 m增加到15 m時，當區段煤柱寬度由15 m增加到20 m時應力峰值基本保持不變，說明區段煤柱寬度為15 m后增加煤柱寬度對右側巷道右幫實體煤應力峰值無太大影響。

不同區段煤柱寬度條件下煤柱內部應力狀態，見圖4。

不同區段煤柱寬度條件下，區段煤柱內部應力分布曲線，見圖5。

a.隨著區段煤柱寬度的增加，區段煤柱內部垂直應力曲線由單峰線逐漸向雙峰線過渡。在區段煤柱尺寸為5 m時，區段煤柱內部只有一個應力峰值點，根據煤柱的失穩原則，區段煤柱中沒有彈性核區，區段煤柱中塑性區發育范圍達到最大，煤柱處于失穩狀態，巷道維護難度最大；區段煤柱尺寸增加到10 m，區段煤柱應力曲線開始轉為雙峰線，隨著區段煤柱寬度的持續增加，區段煤柱內部彈性區域逐漸增大，有利于區段煤柱的整體穩定。

b.區段煤柱內部應力峰值位置偏向煤柱左側，應力分布曲線為雙峰線條件下，左側應力峰值位置距離左側巷道保持在3～4 m左右，應力峰值的大小隨著煤柱尺寸的增加呈現逐漸降低的趨勢；右側應力峰值大小隨著區段煤柱尺寸的增加變化較小；區段煤柱內部左側應力峰值較右側稍大，分析是由于受到上部4-2煤層殘留煤柱以及本煤層工作面鄰近工作面已回采的影響；由煤柱內部應力曲線圖可知當煤柱寬度為5 m時，煤柱內部應力峰值較大，當煤柱寬度增加到10 m時煤柱應力峰值明顯減小，并且應力分布近似呈現“馬鞍形”分布，當煤柱寬度繼續增加到15 m與20 m時，煤柱內應力峰值變化不大應力分布呈現“馬鞍形分布”，因此知當煤柱寬度小于10 m時隨著區段煤柱尺寸的增加煤柱內部的應力集中程度降低。

根據以上數值模擬分析結果，區段煤柱的尺寸應超過10 m，能夠保證煤柱內部的彈性區域，降低巷道的維護難度。綜合理論分析及數值模擬確定的區段煤柱尺寸如表1所示。

理論分析及數值模擬是區段煤柱寬度留設的一般性方法，巷道維護是一個動態過程，應根據后期的巷道支護質量及巷道頂底板的圍巖變形觀測結果，對巷道支護參數及時作出相應的調整。4-3煤層埋藏較淺，上覆基巖層厚度較小，松散層厚度較大，基載比小于1，屬淺埋煤層，421盤區工作面在回采期間經常出現動載礦壓工作面支架經常出現壓架事故，因此在確定431盤區工作面煤柱寬度時，要考慮到動載礦壓的影響。在計算結果的基礎上，根據421盤區工作面動壓監測結果取富余系數為1.5，選擇理論分析及數值模擬兩者中的較大值，確定雙巷布置條件下區段煤柱寬度為15 m。

4 結論

以涼水井煤礦431盤區薄煤層綜采工作面護巷煤柱的合理確定為工程背景，采用理論分析與數值模擬兩種方法進行研究，得到了如下結論：

1）當護巷煤柱的寬度不小于9.4 m時，煤柱穩定相較好；通過FLAC3D模擬了不同煤柱寬度下回采巷道側向支撐壓力分布以及煤柱內的應力分布，模擬結果顯示當煤柱寬度大于等于10 m后，隨著煤柱寬度的增加，回采巷道側向支承壓力峰值與煤柱內應力峰值變化均較小，并且當煤柱寬度不小于10 m時，煤柱內應力呈“馬鞍形”分布，煤柱穩定性較好。

2）考慮到431盤區工作面煤層埋藏較淺以及受到上部421回采的影響，在計算結果上取1.5的富余系數，最終確定工作面護巷煤柱的寬度為15 m。

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Reasonable Width of Chain Pillars on Fully-mechanized Mining Face of Thin Coal Seams under Gob

WEI Xijie,FAN Xiaojuan,CAO Long,ZHANG Tao,LI Mingzhe
(Electrical and Mechanical Department,Shenmu Huiseng Liangshuijing Mining Co.,Ltd.,Yulin 719300,China)

To determine the width of chain pillars in the caving process of thin coal seams of the lower part of close distance shallow seam group,taking the chain pillars of No.431 panel working face of Liangshuijing Mine as the study object,the effect of different width of pillars on the stability was studied by theoretical analysis and numerical simulation,which could be useful for the coal pillars in the similar mining condition.

chain pillars;thin coal seams;shallow seams;close distance seams

TD822.3

A

1672-5050（2015）01-0066-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.022

（編輯：樊敏）

2014-12-05

魏希杰（1986-），男，河北唐山人，大學本科，助理工程師，從事煤礦井下機械設備的管理工作。