大采高工作面區段煤柱寬度量化研究

胡大沖，張保良，沈寶堂，孫熙震，于海鋒

(1.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；2.濟寧礦業集團有限公司 安居煤礦，山東 濟寧 272000)

大采高工作面區段煤柱寬度量化研究

胡大沖1，張保良1，沈寶堂1，孫熙震1，于海鋒2

(1.山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590；2.濟寧礦業集團有限公司 安居煤礦，山東 濟寧 272000)

合理的區段煤柱寬度對于提高煤炭采出率、提升采煤作業的安全性具有重要作用。以楊家村煤礦22205工作面為工程背景，采用理論計算、現場監測和FLAC3D數值模擬等多種方法對9、12、15和21 m不同寬度區段煤柱進行計算分析。結果表明：當煤柱寬度為9和12 m時，煤柱大部分進入剪切破壞，塑性區范圍較大，不能達到維持煤柱穩定的要求；當煤柱寬度為15和21 m時，頂板塑性區范圍減小，煤柱承載能力增強，此時的煤柱寬度能滿足穩定性要求。綜合考慮煤炭資源回收、巷道圍巖穩定性，確定工作面的區段煤柱寬度為15 m。

淺埋煤層；大采高；區段煤柱；數值模擬；量化研究

在我國當前經濟新常態下，煤炭產業發展面臨巨大的挑戰。新疆、內蒙作為我國現階段兩個重要的煤炭生產基地，其煤層具有埋藏淺、賦存厚、地質條件簡單等諸多優點。但充分開發該地區的煤炭資源，將對生產技術條件提出更高的要求，其中合理區段煤柱寬度是大采高一次采全高工作面開采要考慮的重要因素。國內外學者從不同角度對區段煤柱寬度進行了研究，取得了一些研究成果。孔德中等[1]提出合理區段煤柱寬度要考慮3個“有利于”原則；張世青等[2]研究表明淺埋薄基巖中厚煤層上覆巖層對煤柱影響較小，煤柱壓力較小，塑性區不大，礦壓顯現不強烈；奚家米等[3-4]對不同寬度區段煤柱研究表明大煤柱能夠保持巷道的穩定性；譚云亮等[5-6]研究了巷旁支護及留窄小煤柱的可能性。綜上所述，現有文獻從巷道的穩定性、支護效果、回采率大小等不同角度出發對區段煤柱寬度留設進行了研究。以某礦22205工作面為工程背景，結合現有研究成果，采用理論計算、現場監測、數值模擬相結合的方法對不同寬度區段煤柱進行研究，得出該礦區段煤柱留設的合理寬度。

1 工程背景

楊家村煤礦22采區2-2上煤層采用大采高一次采全高綜合機械化開采；煤層平均埋深120 m，自然厚度1.80～10.28 m，平均6.03 m；煤巖層傾角0°30＇～2°，平均1°15＇，為近水平煤層，局部煤層存在著厚薄不均的夾矸(主要為泥巖)；工作面長度平均為220 m；該采區煤層賦存穩定，地質條件簡單，根據鉆孔揭露顯示：煤層頂板依次為砂質泥巖頂板，平均厚度2 m；泥巖頂板，平均厚度11 m；砂質泥巖頂板，平均厚度48.5 m，礫巖頂板，平均厚度24.3 m。煤層底板依次為泥巖底板，平均厚度1 m；細砂巖底板，平均厚度30 m。

留設區段煤柱主要遵循原則：提高資源回收率、保證巷道的穩定性及防止火災、瓦斯、水患等災害的發生。根據已采采區情況來看，留設20 m區段煤柱在回采期間巷道穩定性好，圍巖變形小，完全能夠保障安全生產的要求，但造成較大資源浪費，現回采22采區，本著提高資源回收率的原則對煤柱合理寬度進行研究，基于煤柱極限平衡力學模型計算區段煤柱承載極限寬度，制定9、12、15、20 m留設方案，采用數值模擬和現場實測相結合方法，最終確定區段煤柱留設合理寬度。

圖1 煤柱極限平衡力學模型Fig.1 Mechanical model of coal pillar limit equilibrium

2 理論計算及現場監測

2.1 理論計算

1) 在彈塑性變形狀態下，煤柱的極限平衡力學模型[1,7]如圖1所示。在采空區側煤體出現應力集中，垂直應力隨著遠離煤柱邊緣而顯著增長，在距煤柱邊緣一定寬度內，煤柱的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態。

由圖1力學模型可得

(1)

式中：σy為煤體垂直應力；λ為側壓系數；Fx為支架對煤幫的支撐力；c為煤體的粘聚力；φ為煤層與頂底板界面處的摩察角；m為煤層厚度；τxy為煤體與頂底板之間切應力；K為采空區側應力集中系數；H為煤層埋深；x0為采空區側煤柱塑性區寬度。

2) 式(1)為采空區側煤柱的塑性區寬度計算公式，回采巷道側煤柱塑性區寬度[8]計算式為

(2)

式中：c為煤體的粘聚力；α為煤體的內摩擦角；P為原巖應力；r0為巷道半徑。

3) 區段煤柱理論寬度[7]

W=K0(x0+R) 。

(3)

式中，K0為安全系數，K0=1.15～1.45。

將K=4，γ=25 kN/m3，Fx=0.32 MPa，c=1.9 MPa，α=32°,φ=31°，m=6 m，P=3.5 MPa代入公式(1)、(2)得到x0=6.7 m，R=2.5 m，取K0=1.3，代入式(3)得到區段煤柱理論寬度約為12 m。

2.2 現場監測

為確定楊家村煤礦22205工作面傾向應力分布，在工作面運輸平巷下側實體煤內安設了數個KSE型鉆孔應力計，實測煤柱傾向支承壓力在回采期間的變化情況。在22205工作面前方布置5個測站，各測站相隔10 m,每個測站布置5個測點，測點相隔1 m，測點深分別為3、5、7、9 和11 m，如圖2所示。測點鉆孔直徑48 mm，高2 m。分析測站數據，選取一個測站數據得到傾向垂直應力隨著工作面推進變化曲線，如圖3所示。

圖2 測點布置圖Fig.2 Measuring points placement

圖3 傾向垂直應力分布Fig.3 Side abutment pressure distribution

通過圖3可以看出，不同測點應力在工作面推進過程中的變化曲線存在一定差別：

1) 不同測點應力峰值不同，7 m測點的應力峰值為16 MPa，3 m測點應力峰值為11 MPa，5和9 m測點應力峰值約為14.5 MPa，11 m煤柱應力峰值為12.3 MPa。

2) 隨著工作面推進，垂直應力先增大后減小，呈單駝峰分布，應力峰值出現在工作面前方15 m左右。

3) 現場監測最大應力峰值出現在煤體內7 m左右，與理論計算采空區側塑性區寬度一致，佐證了現場監測的可靠性。

圖4 FLAC3D數值模擬模型圖Fig.4 FLAC3D numerical simulation model

3 不同寬度煤柱數值模擬

3.1 模型建立

為了進一步研究區段煤柱留設寬度對頂板垂直應力及位移值的影響，綜合考慮理論計算和現場監測結果，采用FLAC3D模擬分析寬度為9、12、15和21 m煤柱，建立如圖4所示的數值計算模型。模型X、Y、Z三個方向的長度分別為：160 m×80 m×70 m，+Y方向為工作面回采方向，-Y方向為巷道掘進方向，+Z方向垂直向上。模型共劃分為77 280個基本單元和85 950個節點，采用摩爾-庫倫模型，模型邊界條件為：在模型X方向兩側面加法方向位移約束，同時對Y方向的兩個側面加法方向位移約束，在模型的底面加Z方向豎直位移約束。煤層平均埋深120 m，重力加速度取10 m/s2，模型上邊界施加的豎向均布載荷為3.5 MPa。模擬計算所需的部分巖層的巖體力學參數見表1。

3.2 不同寬度煤柱垂直應力分布規律

根據楊家村煤礦22205工作面煤層開采地質條件，工作面回采巷道為煤巷，寬度和高度分別為5和3.5 m，采用錨索支護方式。工作面設計長度220 m，開挖長度110 m，工作面多次推進，每次推進10 m，不同寬度煤柱垂直應力云圖如圖5所示。

表1 數值模擬計算模型的巖體力學參數

圖5 不同煤柱寬度垂直應力分布云圖Fig.5 Vertical stress distribution of different coal pillar widths

由圖5分析可知：

1) 隨著煤柱寬度增大，煤柱中部應力逐漸減小。煤柱寬度為9、12、15、21 m時，其應力依次為17.3、17.0、15.0、12.0 MPa。

2) 沿傾向支承壓力先增大后減小再增大，呈現雙駝峰形狀，采空區側應力比巷道側大。

3) 煤柱應力峰值出現在采空區側，不同寬度區段煤柱峰值應力比原巖應力高近1個數量級。

3.3 不同寬度煤柱位移場規律

圖6和圖7分別為巷道兩幫和頂底板相對移近量隨煤柱寬度變化曲線：

1) 巷道兩幫移近量隨著工作面推進先增大后減小，最后基本保持水平。巷道兩幫最大位移在工作面前方15 m左右，隨著煤柱寬度的增加巷道兩幫最大位移依次減小，9 m煤柱兩幫最大位移65 mm、12 m煤柱最大位移60 mm、15和21m煤柱最大位移約為55 mm。

2) 巷道頂底板移近量隨著煤柱寬度的增大而減小，隨著工作面的推進頂底板移近量先增大后減小，頂板最大下沉出現在距工作面15 m左右，其中9和12 m煤柱的頂底板移近量約為110 mm、15 m煤柱頂底板移近量為100 mm、21 m煤柱最大值則為90 mm。

3.4 不同寬度煤柱塑性破壞分布規律

不同寬度煤柱數值模擬得到塑性破壞分布規律如圖8所示：

1) 在工作面采動影響下，煤柱兩側邊緣煤體產生塑性破壞，煤柱邊緣煤體應力降低，垂直應力向煤柱深部轉移；窄煤柱在工作面采動影響下全部進入塑性區；煤柱寬度增大，在煤柱內部就會出現彈性核區，煤柱有一定的承載能力。

圖6 不同煤柱寬度巷道兩幫近量Fig.6 Convergence of lanes of different pillar widths

圖7 不同煤柱寬度巷道頂底板移近量Fig.7 Roof-to-floor convergence of roadway of different pillar widths

圖8 不同煤柱寬度塑性破壞特征Fig.8 The plastic fracture characteristics of different coal pillar widths

2) 煤柱寬度為9 m時，塑性區全部貫通，承載能力很小，無法保證煤柱穩定和巷道安全使用。煤柱寬度為12 m時，塑性區范圍減小，煤柱承載能力增強，但不能達到維持巷道變形和煤柱穩定性的要求。

3) 煤柱寬度為15 m時，煤柱出現4～7 m彈性核區，此時煤柱可以承載來自采空區頂板的大部分載荷，如果加強支護可以滿足穩定性的要求。煤柱寬度21 m時，煤柱塑性區分布在巷道邊緣3～6 m范圍內，彈性核區寬度在11～15 m之間，與煤柱寬度15 m相比，僅是增加煤柱的彈性區寬度，對煤柱的穩定性沒有影響,此時煤柱更有利于巷道的穩定，但卻增加了煤炭資源的損失。

通過FLAC3D數值模擬，對4種寬度區段煤柱穩定性及巷道圍巖塑性區范圍進行對比分析，考慮該礦22采區2-2上煤層開采工作面布置的實際情況，在一定支護強度條件下，煤柱寬度取15 m，既能滿足生產使用要求，又可以提高煤炭資源回收率。

4 結論

1) 理論計算求得區段煤柱寬度為12 m。現場監測分析結果顯示，側向支承壓力呈單駝峰分布，最大應力出現在煤體內7 m左右。

2) 由數值模擬結果可知：煤柱寬度為9 m時，煤柱處在側向應力高峰區范圍內；當煤柱寬度在9～12 m時，不能完全避開側向支承壓力高峰區；當煤柱寬度在12～15 m時，煤柱中部出現彈性核區，煤柱集中應力減小；煤柱寬度15～21 m時，煤柱內彈性核區范圍進一步擴大，圍巖變形較小。

3) 綜合理論計算、現場監測和FLAC3D模擬結果，考慮資源回收、巷道穩定性、災害控制等因素，確定22采區22205工作面煤柱合理寬度為15 m。

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(責任編輯：呂海亮)

Quantitative Study on Rational Width of Section Coal Pillar in Large Mining Height Working Face

HU Dachong1,ZHANG Baoliang1,SHEN Baotang1,SUN Xizhen1，YU Haifeng2

(1.College of Mining & Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China； 2.Anju Mine of Jining Mining Industry Group Co.Ltd,Jining,Shandong 272000,China)

Rational width of section coal pillar has important effects on improving the coal recovery rate and safety of coal mining operation.Based on the engineering background of working face 22205 in Yangjiacun coal mine,the paper calculated and analyzed the section coal pillar of the width of 9,12,15 and 21 m by using theoretical calculation,software of FLAC3Dand stress monitoring.The results show that when the width of segment pillar is 9 or 12 m,the coal pillar,most of which has shear failure and large scope of plastic zone,cannot meet the requirements for pillar stability.However,when the width of segment pillar is 15 or 21 m,the coal pillar,with stronger bearing capacity and smaller roof plastic zone,can meet the requirements for stability.Therefore,with a comprehensive consideration of various elements such as resources recovery and surrounding rock stability of roadway,the rational width of section coal pillar is determined as 15 m.

shallow depth mine; large mining height; section coal pillar; numerical simulation; quantitative study

2016-03-29

國家自然科學基金項目(51428401)

胡大沖(1991—)，男，山東滕州人，碩士研究生，主要從事礦山災害與防治的研究.E-mail：2439025860@qq.com 沈寶堂(1964—)，男，河北河間人，教授，博士生導師，主要從事工程地質及礦山災害防治研究，本文通信作者. E-mail：Baotang.shen@csiro.au

TD822.3

A

1672-3767(2017)03-0032-06