某礦區綜放工作面預留煤柱優化設計研究

杜 飛 王龍飛 王 海

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

某礦區綜放工作面預留煤柱優化設計研究

杜 飛 王龍飛 王 海

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

結合某礦區綜放工作面回采巷道現場實際情況，基于預留煤柱寬度理論分析，依托預留煤柱寬度優化設計原則，提出了該礦區綜放工作面預留煤柱寬度計算公式，通過對比分析數值模擬與理論計算結果，將該礦區原有預留煤柱寬度60 m優化至52 m，中間灌漿巷距離兩條巷道凈距均為23.7 m，大大提高了該礦煤炭回采率。

綜放工作面，煤柱寬度，數值模擬，理論計算，優化設計

0 引言

我國厚煤層儲量占煤炭比重接近一半。根據有關數據統計，就我國目前綜放式開采技術而言，開采時煤炭損失率已超過煤炭總量一半，而這部分中煤柱又占到接近一半。煤柱寬度越大，煤炭損失越嚴重[1，2]。因而，是否能有效減少煤柱寬度，對煤炭回采率將至關重要[3，4]。但若煤柱寬度選擇過小，難以保證巷道正常運營，而且對安全生產造成較大隱患，因此大多數煤礦煤柱留設寬度都較為保守[5,6]。也導致我國煤柱寬度優化研究發展緩慢[7，8]。

論文對某礦回采工作面間預留煤柱寬度進行深度分析，得到合理的煤柱寬度，在保證該礦安全回采的前提下大大提高了煤炭回采率。

1 煤柱寬度的影響因素

煤柱的寬度是影響煤柱穩定性及巷道維護的主要因素。煤柱的作用是保證工作面能夠正常安全回采，根據這一特性確定影響其寬度的因素有采深、煤巖界面內摩擦角及粘聚力、煤層厚度、支護阻力、頂板應力增高系數等。

1)一般情況下，回采深度越大，應力極限平衡區寬度也隨之增大，根據有關統計，煤層埋深在450 m以內時，應力極限平衡區寬度增大速度相對較快，但當煤層埋深超過450 m后，其寬度變化率基本呈直線增長。

2)界面內摩擦角及粘聚力對應力極限平衡區范圍影響較大，界面的內摩擦角及粘聚力只與煤及頂、底板巖石的力學性質及平整度有關，與其自身的內部裂隙發育程度關系不是很大。

3)煤層厚度對應力極限平衡區范圍也有較大影響，當煤層厚度較薄時，應力極限平衡區范圍很小，隨著煤層厚度的增大，在同樣條件下，應力極限平衡區的范圍也隨之有所增大，因此對厚煤層、強度低的煤層巷道一定要加強支護。

4)支護阻力不能減小應力極限平衡區的范圍，但對于較軟的煤層，煤層與頂底板粘聚力較小時，提高支護阻力可以有效的保證回采巷道的穩定性。

5)對于受綜放工作面回采動壓影響的巷道來說，應力集中系數呈增大趨勢，巷道兩側也隨之破壞，必需根據具體情況進行加強支護。

在進行煤柱寬度設計時必須充分考慮以上各種因素，此外，煤柱的強度不僅取決于煤柱的邊界條件和力學性質，還取決于煤柱自身幾何尺寸和形狀。因此，煤柱破壞的主要原因是由于設計不合理而引起煤柱上方支承壓力過大，最終導致煤柱失穩破壞。

2 預留煤柱寬度理論分析

綜放工作面區段煤柱寬度合理留設原則：保證巷道圍巖變形滿足生產要求；保證巷道支護系統具有良好的整體支護性能；保證煤柱及巷道處于較低的應力環境；預留煤柱尺寸應保證煤炭安全回采，保證防火及隔離采空區需要；保證煤炭回采率。

依據區段煤柱寬度合理留設原則，結合該礦實際情況，由于該礦預留煤柱寬度多達60 m，根據經驗判斷煤柱寬度大于回采引起的支承壓力影響距離的2倍，加上煤柱中間開設灌漿巷引起的塑性變形區。

因此，該礦預留煤柱寬度計算公式應為：

B=2x0+2m+x1

(1)

式中：x0——極限平衡區寬度，m；

m——煤層開采厚度，m；

x1——灌漿巷寬度與其開挖產生的塑性變形區寬度之和，m。

3 預留煤柱寬度數值模擬分析

3.1 模擬工況

該礦區段煤柱寬度為60 m，針對該礦實際情況進行煤柱寬度優化，建立4種不同工況進行模擬，分析對比不同寬度煤柱塑性區寬度的變化情況，并分析開挖灌漿巷對煤柱塑性區寬度的影響，最終達到優化煤柱寬度的目的。

1)煤柱寬度為55 m，相鄰采區寬度均為69.8 m，巷道寬度均為5.2 m；2)煤柱寬度為60 m，相鄰采區寬度均為69.8 m，巷道寬度均為5.2 m；3)煤柱寬度為65 m，相鄰采區寬度均為69.8 m，巷道寬度均為5.2 m；4)煤柱寬度為60 m，煤柱正中央開始有巷道；相鄰采區寬度均為69.8 m，巷道寬度均為5.2 m。

3.2 模擬方案

此次模擬建立二維模型；約束條件取四周邊界為法向約束，下部邊界取全約束邊界，上部邊界不約束，為自由邊界；采用摩爾—庫侖強度理論進行計算；計算中在區段煤柱內布設監測點，監測煤柱豎向應力。

3.3 模擬結果分析

數值模擬針對四種不同情況分別建立數值模擬模型。模擬計算以現場回采實際情況為準，先計算未開挖時在原巖應力作用下其豎向應力分布狀態，然后進行巷道開挖，開挖完成后進行回采，回采時頂部巖體垮落，最終巷道不再變形終止計算。對四種不同情況下豎向應力分布進行監測，得到不同煤柱寬度回采時，其豎向應力的影響范圍，綜合對比得到合理的煤柱寬度。

根據數值模擬計算結果圖1a)顯示可知，在回采巷道頂角處巷道豎向應力最大。而在回采巷道兩邊，隨著距離回采巷道越遠，煤柱豎向應力逐步增大，當到達10 m處，達到最高點，然后隨著距離回采巷道越遠，煤柱豎向應力逐步減小，圖示兩邊對稱，變化趨勢相同。根據極限平衡區理論分析，該變化趨勢與理論相符。其他兩種情況與該圖變化基本一致，均在距離回采巷道10 m處煤柱受力最大，只是煤柱寬度不一樣，其最大應力不同而已，但其變化趨勢相同。

由圖1b)顯示可知，如果煤柱中央開挖其他巷道，其煤柱受力最大位置依然不變在距離回采巷道10 m處，但由于其中間開挖巷道，導致中間巷道周圍出現應力集中，而且距離巷道5 m～8 m范圍，應力處于增大狀態。

根據上述表述可知，依托極限平衡區理論分析，認為如果煤柱中央開挖巷道則對煤柱兩側的回采巷道產生的塑性變形區沒有影響(煤柱寬度較大)，而是在煤柱中間位置又產生新的塑性變形區，由于巷道斷面較小，所以其新的塑性變形區影響范圍也較小。

綜上所述可知，該礦煤柱寬度應為B=2×10+2×8+10=46 m，取安全系數K=1.15，則煤柱寬度為KB=1.15×46=52.9 m。

利用FLAC3D建立了區段煤柱寬度二維仿真計算模型，主要分析了三種不同煤柱寬度和有無灌漿巷的煤柱塑性區寬度。經過數值模擬分析得到煤柱寬度為52.9 m。

4 預留煤柱寬度計算分析

根據理論分析，結合該煤礦實際情況，煤柱寬度計算參數選取見表1。

表1 煤柱寬度計算參數選取

(2)

黃泥灌漿巷開挖產生的塑性變形區寬度x1計算：

(3)

(4)

h=R-a=x1-a=1.14 m

(5)

區段煤柱寬度：B=2x0+2m+x1=47.12 m，取安全系數K=1.15，則煤柱寬度54.19 m。

數值模擬計算煤柱寬度為52.9 m，理論計算得到煤柱寬度應為54.19 m，兩者相差較小，為保證該礦正常安全回采，保守估計選擇煤柱寬度較寬的作為實際煤柱寬度，故最終確定煤柱寬度為54.19 m。

5 結語

1)基于綜放工作面區段煤柱預留寬度留設原則，結合該礦現場實際情況，根據區段煤柱保持巷道穩定性的基本條件得到區段煤柱預留寬度計算公式B=2x0+2m+x1。

2)根據該礦區實際情況，根據數值模擬計算得到該礦煤柱寬度為52.9 m時可以保證安全回采。

3)根據實驗數據，運用煤柱寬度計算公式計算出該礦煤柱寬度為54.19 m時可保證安全回采。

4)為保證該礦安全回采，建議將其煤柱寬度設為55 m，這樣不僅大大提高了煤炭回采率，同時仍可以保證安全回采。

[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,2008,25(4):400-403.

[2] 吳立新,王金莊.煤柱寬度的計算公式及其影響因素分析[J].礦山測量,1997(1):12-16.

[3] 楊 科,王樹全,劉全明.煤柱寬度對綜放回采巷道圍巖力學特性影響分析[J].煤炭工程,2005(12):50-52.

[4] 張少杰,王金安,吳豪偉,等.綜放開采合理護巷煤柱寬度研究[J].中國礦業,2012,21(3):52-55.

[5] 謝廣祥,楊 科,常聚才.煤柱寬度對綜放回采巷道圍巖破壞場影響分析[J].遼寧工程技術大學學報,2007,26(2):173-176.

[6] 宋選民,竇江海.淺埋煤層回采巷道合理煤柱寬度的實測研究[J].礦山壓力與頂板管理,2003,20(3):31-35.

[7] 劉愛國,苗 田,王云方,等.綜放工作面回采巷道煤柱應力分析與參數優化[J].煤炭科學技術,2002,30(1):52-54.

[8] 賈光勝,康立軍.綜放開采采準巷道護巷煤柱穩定性研究[J].煤炭學報,2002,27(1):6-10.

Research on optimal design for prearranged pillars at fully mechanized caving face of some mining area

Du Fei Wang Longfei Wang Hai

(Xi’anResearchInstituteCo.,Ltd,ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup,Xi’an710077,China)

Combining with the mining roadway sites at the fully mechanized caving face of some mining area, the paper is based on the optimal design principle for the width of the prearranged pillars based on the theoretic analysis of the prearranged pillar width theory, points out the formula for the width calculation of the pillars at the fully mechanized caving face of the mining area, undertakes the comparative analysis of the numeric simulation and theoretic calculation, optimized the width of the prearrange pillar from 60 m to 52 m and the net distance between the middle grouting road and the two roadways is 23.7 m at the area, so as to improve the mining ratio of the mining area.

fully mechanized caving face, coal pillar width, numeric simulation, theoretic calculation, optimal design

2015-08-26

杜 飛(1988- )，男，碩士，助理工程師

1009-6825(2015)31-0091-02

TD822

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