淺埋群采煤層大巷煤柱合理尺寸留設數值模擬研究

石曉光

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，太原 030006）

淺埋群采煤層大巷煤柱合理尺寸留設數值模擬研究

石曉光

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，太原 030006）

摘要：基于神木張家峁煤礦淺埋煤層條件，以3-1煤層、4-2煤層、5-2煤層群采為研究背景，提出通過數值模擬手段分析煤層群采時大巷保護煤柱合理寬度，以求在保證煤層大巷的穩定前提下，既提高資源回收率，又能實現安全高效生產。數值模擬得出3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層共同回采時的大巷保護煤柱寬度應分別為170m、185m 和200m，模擬結果表明合理的淺埋群采煤層條件下大巷保護煤柱較單煤層開采時留設尺寸略低，可進一步提高資源回收率。

關鍵詞：煤層群采；大巷煤柱；數值模擬

陜西神南張家峁煤礦為核定生產能力1 000 萬t現代化礦井，其3-1煤層、4-2煤層、5-2煤層同時開采，生產中為保證煤層大巷的穩定，需要留設相應寬度大巷保護煤柱，合理大巷煤柱尺寸不僅為后期大巷煤柱的安全高效回收提供技術支撐，同時也對提高資源回收率和實現安全高效生產具有重要意義［1-3］。同時，伴隨著計算機等技術的引入，利用計算機數值模擬來確定保護煤柱合理留設寬度成為一種較為普遍的研究方法，在這方面張國華等［4-10］學者做了大量的基礎研究工作，并獲得了大量成果。而對于淺埋群采煤層條件下大巷煤柱留設研究并不多見，為此，針對張家峁礦淺埋煤層條件下大巷煤柱合理寬度進行分析，不僅能更好地指導工程實踐，也可為此類條件下大巷煤柱尺寸的確定提供參考。

1　工作面概況

榆神礦區張家峁煤礦屬于典型淺埋煤煤層條件，礦井可采煤層多、傾角小、煤層厚且煤質優良，其中3-1煤層和4-2煤層平均垂直距離35 m，4-2煤層和5-2煤層平均垂直距離80 m。其中，3-1煤層平均厚度3 m，埋深64.5 m；4-2煤層平均厚度3.5 m，埋深99.5 m；5-2煤層平均厚度6 m，平均埋深164 m，三煤層位置關系示意圖，見圖1。

圖1　3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層位置關系示意圖

2　數值模擬模型建立

根據地質資料及建立模型的需要，對模擬中的巖層厚度進行了一定的簡化，模擬計算采用的巖體力學參數，如表1所示。

表1　計算采用的煤巖物理力學參數表

以3-l煤層、4-2煤層和5-2條件為基礎，嚴格按照地層資料、巷道尺寸及工作面尺寸進行建模，三個煤層工作面開采長度均在1 500m以上，考慮到運算時間和計算機計算能力的限制，三個煤層工作面開采長度取800 m。計算模型長1 440.6 m，高199.9 m，共41 118單元塊，62 712個節點，三煤層大巷保護煤柱合理尺寸數值計算模型，見圖2。

圖2　三煤層大巷保護煤柱合理尺寸數值計算模型

采用空單元實現工作面的分步回采。3-l煤層、4-2煤層和5-2煤層同時回采，計算過程中按照下行式順序進行回采，先回采3-1煤層工作面，之后回采4-2煤層工作面，最后回采5-2煤層工作面；由于回采工作面的走向較長，初始回采每步開挖200m，待回采到一定范圍內后進行每步100 m、50 m、25 m、15 m、10 m和5 m回采。

3　大巷保護煤柱寬度的分析

因張家峁煤礦3-l煤層、4-2煤層和5-2煤層單煤層開采時大巷保護煤柱留設為170 m、170 m和140 m。為了確定煤層群采時合理大巷煤柱尺寸，根據三個煤層的地質條件、位置關系以及下行式開采順序，數值計算擬定四大計算工況。不同寬度大巷保護煤柱時各煤層輔回撤通道塑性區，見圖3。

圖3　不同寬度大巷保護煤柱時各煤層輔回撤通道塑性區

從圖3-a可以看出，當3-l煤層、4-2煤層和5-2煤層大巷保護煤柱寬度均為170 m，三煤層同時開采時，3-l煤層和4-2煤層由于受到下煤層開采的擾動，兩煤層輔助運輸巷道及主、輔回撤通道之間的煤柱均發生塑性變形，塑性區域一直延伸到大巷保護煤柱20 m～30 m。分析表明，該工況下3-l煤層和4-2煤層主、輔回撤通道之間的煤柱全部進入塑性狀態，必然引起輔回撤通道將會發生較大變形，并且保護大巷較大范圍內也發生塑性變形，這種情況不利于后期煤柱大巷的安全高效回采，甚至影響工作面回采結束后支架的回收，必須增大4-2煤層和5-2煤層的大巷保護煤柱寬度。

從圖3-b可以發現3-l煤層和4-2煤層兩煤層輔助運輸巷道及主、輔回撤通道之間的煤柱均發生塑性變形，塑性區域一直延伸到大巷保護煤柱15 m左右。盡管該工況下3-l煤層和4-2煤層主、輔回撤通道塑性區域較圖3-a有所減小，但是主輔回撤通道護巷煤柱全部進入塑性狀態，其安全穩定可能會受到影響，不利于后期大巷保護煤柱的安全高效回收。

當4-2煤層和5-2煤層大巷保護煤柱寬度繼續增大，圖3-c中，3-l煤層輔回撤通道及主、輔回撤通道之間的煤柱均出現塑性區，4-2煤層輔回撤巷道頂板和底板發生塑性變形，該煤層主、輔回撤通道之間的煤柱部分進入塑性狀態，5-2煤層輔回撤巷道塑性區很小，三煤層輔回撤通道塑性區區域較3-a明顯減小。表明盡管該工況下3-l煤層和4-2煤層主、輔回撤通道部分處于塑性狀態，但是其周圍圍巖仍然具有較強的承載能力。

圖3-d中，當4-2煤層和5-2煤層大巷保護煤柱寬度持續增加，三煤層同時開采時，各煤層輔回撤通道及主、輔回撤通道之間的煤柱出現的塑性區區域與3-c大致相同。

在三煤層輔回撤通道的兩幫、頂板和底板設置監測點，計算得出三煤層同時開采下各煤層輔回撤通道的變形。每個工況下其最大變形值，如表2所示。

表2　不同工況下輔回撤通道最大變形值對比

采用下行式開采順序時，當3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護煤柱寬度均為170 m，3-1煤層的輔回撤通道的穩定性極差，巷道變形很大，尤其是4-2煤層輔回撤通道兩幫收斂值達到78.54 mm，頂板下沉量達到95.53 mm，輔回撤通道處于失穩狀態；工況二，即3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護煤柱寬度分別為170 m、180 m和195 m，盡管輔回撤通道變形較工況一有所減小，但是變形仍舊很大，尤其4-2煤層輔回撤通道兩幫收斂值37.92 mm，頂板下沉量達到40.96mm，不利于后期支架的回撤和大巷保護煤柱的高效回撤；工況三下，即3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護煤柱寬度分別為170 m、185 m和200m，回撤通道變形較小，4-2煤層輔回撤通道變形最大，其兩幫收斂值13.63 mm，頂板下沉量達到15.05 mm，變形在接受范圍之內，采動影響下可以確保輔回撤通道安全穩定，從而保證后期大巷保護煤柱的安全高效回收；工況四下，即3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護煤柱寬度分別為170m、186m和210 m，各煤層輔回撤通道及主、輔回撤通道之間的煤柱出現的塑性區區域與工況三大致相同，回撤通道變形較小，4-2煤層輔回撤通道變形最大，其兩幫收斂值10.24 mm，頂板下沉量達到11.49 mm，變形在接受范圍之內。

綜合以上分析，三煤層同時開采條件下，在保證各煤層輔回撤通道安全穩定和提高煤層大巷保護煤柱高效回收的前提下，3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護煤柱寬度應分別為170 m、185 m 和200m。

4　結束語

張家峁煤礦采用下行式開采順序，當3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層的大巷保護煤柱寬度分別為170 m、185m和200 m，各煤層輔回撤通道變形較小，巷道變形在接受范圍之內，采動影響下可以確保輔回撤通道安全穩定，從而保證后期大巷保護煤柱的安全高效回收；因此，建議張家峁煤礦在進行3-1煤層、4-2煤層和5-2煤層群采時，三煤層停采線位置應分別設置在距離各煤層輔運大巷200 m、215 m 和230 m，不同于單煤層開采條件下的200 m、200 m和170 m。

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（編輯：武曉平）

中圖分類號：TD325

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5050（2016）03-053-04

DOI：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxm t.2016.06.016

收稿日期：2016-01-24

作者簡介：石曉光（1988-），男，黑龍江雙鴨山人，工程碩士，助理工程師，從事連續采煤機短壁機械化開采工藝技術研究工作。

Num erical Sim ulation on Rational Size of Coal Pillar in A llays of Group M ining in Shallow Coal Seam

SHIXiaoguang
（Taiyuan Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan 030006，China）

Abstract：Based on shallow coal seam in Shenmu Zhangjiamao Mine，taking the group mining of coal seam 3-1，4-2and 5-2as the research background，numerical simulation was used to study the reasonablewidth ofprotective pillarsin order toensurealley stability，increase resource recovery rate，and realize safe and efficientproduction.The simulation obtains the reasonablewidthsof coal seam 3-1，4-2and 5-2to be 170，185，and 200 meters，respectively.The simulation results show that the reasonable pillar width of thegroupmining isslightly less than thatofsingle seammining，which could further improve the resource recovery rate.

Keywords：groupmining；coalpillar in allays；numericalsimulation