淺埋厚煤層區段煤柱合理尺寸優化與研究

陳海俊 李洪蛟 陳 楊 鄭 錚 魏 臻 肖 鵬

(1. 陽煤集團山西世德孫家溝煤礦有限公司，山西省忻州市，036600；2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區，100013；3.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

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淺埋厚煤層區段煤柱合理尺寸優化與研究

陳海俊1李洪蛟2陳 楊2鄭 錚3魏 臻3肖 鵬3

(1. 陽煤集團山西世德孫家溝煤礦有限公司，山西省忻州市，036600；2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區，100013；3.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083)

針對淺埋厚煤層區段煤柱合理尺寸留設難題，結合某礦具體實際工程地質條件，采用理論分析、數值模擬和現場工業性試驗等手段，從煤柱支承應力和塑性區分布等方面進行了研究。結果表明：隨著煤柱尺寸的減小，支承應力集中程度逐漸增大，且出現支承應力最大值的位置越靠近采空側；當煤柱尺寸過小時，巷道周圍塑性區與煤柱內塑性區連接，不利于巷道穩定；綜合理論分析計算、數值模擬和經濟角度考慮確定煤柱合理的留設尺寸為12 m。現場工業性試驗驗證了12 m寬煤柱巷道變形量能夠滿足安全生產的要求。

淺埋厚煤層 區段煤柱 煤柱尺寸

區段煤柱是指上區段運輸平巷和下區段回風平巷之間留設的一定尺寸的保護煤柱。區段煤柱的作用一方面是隔離采空區，另一方面是保證下區段巷道的穩定性，合理尺寸的保護煤柱對巷道圍巖穩定性、資源采出率、經濟效益等有著十分重要的影響。相關學者對深埋煤層沿空掘巷的煤柱尺寸留設進行了大量研究，取得了很多有益的成果，然而對淺埋厚煤層綜放開采條件下的煤柱留設問題研究較少。

本文采用理論分析、數值模擬、現場實測等手段，研究了淺埋厚煤層綜放開采條件下合理區段煤柱留設方法，并最終確定了煤柱留設尺寸，為類似地質條件的礦井提供了借鑒意義。

1 工程地質概況

某礦主采8#煤層，煤層結構較為復雜，煤厚為4.14～5.36 m，平均厚度為5.07 m，為典型的厚煤層。內生裂隙發育，頂板不穩定，煤層近南北走向，傾角為2°～5°。直接頂為砂質泥巖，厚度變化較大，為1.1～10.35 m，老頂為粉砂巖及中粒砂巖，厚10.97 m，以長石、石英為主，偽底為薄層泥巖，厚0.1～0.2 m，遇水易膨脹變軟，直接底為半堅硬泥巖，厚15.57 m，泥質膠結，遇水易膨脹變軟，老底為含礫粗砂巖，厚13.21 m，鈣質膠結，以長石、石英為主。

該礦88109與88110工作面均尚未回采，88110工作面位于88109工作面以東。試驗巷道為88110運輸平巷，巷道斷面為矩形，巷道寬度為5.0 m，高度為3.5 m，巷道埋深為114～205 m。地應力測試結果表明，該礦的地應力場屬于水平構造應力場，以水平壓應力為主導，最大主應力的方向為119.35°，最大主應力值為10.82 MPa，為垂直應力場的1.88倍，且主應力方向與試驗巷道夾角較大。8#煤層抗壓強度為7 MPa，水平應力超過單向抗壓強度。煤層較厚，礦方原有的煤柱尺寸達到了35 m，受水平應力的影響，巷道變形量較大，兩幫尤其明顯。

2 區段煤柱尺寸理論計算

區段煤柱兩側為回采空間和采準巷道，回采空間和采準巷道在護巷煤柱兩側形成各自的塑性變形區。區段煤柱保持穩定的基本條件為：煤柱兩側產生塑性變形后，在煤柱中央存在一定尺寸的彈性核，彈性核的尺寸應不小于煤柱高度的2倍，故區段煤柱保持穩定狀態的最小尺寸B為：

B=x0+2m+x1

(1)

式中：x0——護巷煤柱在采空區側的塑性區尺寸，m；

m——采高，m；

x1——護巷煤柱在巷道一側的塑性區尺寸，m。

由于護巷煤柱的巷道一側在回采完后也將成為采空區，因此兩側采空后塑性區尺寸基本相等，取x0=x1，這樣計算煤柱尺寸有一定的安全系數。根據巖體極限平衡理論，塑性區的尺寸，即支承壓力峰值與煤體(煤柱)邊緣之間的距離x0的計算式如下：

(2)

式中：K——應力集中系數，取4；

m——采高，取3.55m；

H——埋深，取200m；

γ——巖體容重，取25kN/m3；

C——煤體的粘聚力，取1340kN/m2；

φ——煤體的內摩擦角，取31°；

P1——支架對煤幫的阻力，無支架，忽略不計；

f——煤層與頂底板接觸面的摩擦系數，取0.29；

ξ——三軸應力系數。

根據8#煤層煤巖力學參數，并考慮開采的綜合影響，綜合計算可得煤柱最小留設尺寸B為11.65 m。

3 數值模擬

數值模擬模型煤柱附近網格建立如圖1所示，Y方向垂直OXZ平面指向前方。模型尺寸為205 m×50 m×40 m，其中沿模型X方向中部留設不同寬度煤柱進行模擬研究，數值模型參數如表1所示。設計煤柱尺寸分別為35 m、20 m、12 m、8 m、4 m五種方案，分析在88109工作面開采(一次采動)和88110工作面開采(二次采動)條件工作面前方下不同尺寸煤柱支承壓力分布和巷道圍巖塑性區變化特點。

圖1 數值模擬計算模型

巖性厚度/m體積模量/GPa剪切模量/GPa密度/kg·m-3摩擦角/(°)粘聚力/MPa抗拉強度/MPa粗礫巖13.222.2212.72.59359.164.32泥巖15.5714.88.92400328.33.6煤5.071.150.761470311.341.2砂質泥巖8.0313.68.52300328.33.56粉砂巖10.9723.612.52570308.513.31

3.1 煤柱圍巖應力分布

不同煤柱尺寸條件下垂直應力分布模擬結果如圖2所示。

根據圖2中不同煤柱尺寸條件下垂直支承應力云圖，可以設置監測點求出沿煤柱寬度方向應力變化情況，結果如圖3所示。

圖2 不同煤柱寬度應力分布

圖3 不同煤柱尺寸支承應力變化曲線

由圖3可知，當煤柱尺寸分別為35 m、20 m、12 m、8 m 和4 m時，支承應力最大值分別對應為9.58 MPa、9.52 MPa、10.2 MPa、11.8 MPa和11.98 MPa，整體呈現出隨著煤柱尺寸減少，支承應力最大值逐漸增大的趨勢。從支承應力出現最大值的位置來看，最大值的位置距采空側煤柱幫分別為4.5 m、4.5 m、3.5 m、3.5 m和2 m，由此可知，當煤柱尺寸為35 m、20 m和12 m時，出現支承應力最大值的位置更靠近88109工作面一側，對巷道的穩定性更加有利。而當煤柱尺寸為8 m 和4 m時，煤柱中支承應力集中度較高，煤柱破壞嚴重，不利于巷道的布置，故煤柱的留設尺寸應不小于12 m。

3.2 塑性區破壞特征

不同煤柱寬度條件下塑性區分布情況如圖4所示，從圖中可知，當煤柱尺寸為35 m、20 m、12 m、8 m和4 m時，巷道周圍塑性區范圍大體相同，但煤柱內的塑性區分布略微不同。

當煤柱尺寸為4 m時，巷道圍巖塑性區與采空側塑性區連接，巷道有垮塌危險；當煤柱尺寸為8 m時，煤柱內彈性核尺寸為2 m，彈性核尺寸過小，不利于對巷道煤柱幫的控制；當煤柱尺寸為12 m時，巷道在煤柱側的塑性區范圍略大，此時，應加強對巷道煤柱幫的控制；當煤柱尺寸為20 m和35 m時，煤柱內及巷道周邊塑性區分布大體一致，從節約資源的角度考慮，35 m煤柱尺寸過大。由數值模擬結果可知，煤柱最佳尺寸選擇在12～20 m較為合理。

3.3 煤柱尺寸確定

數值模擬計算的煤柱尺寸考慮了開采深度、煤層采動影響、煤體的力學參數、三軸應力、礦井實際條件等多方面因素影響，確定的尺寸相比理論計算更為合理。通過理論分析計算得到煤柱合理尺寸為11.65 m，而通過數值模擬分析得出合理尺寸在12～20 m之間，從而最終確定留設12 m寬度的保護煤柱進行工業性試驗。

圖4 不同煤柱尺寸巷道塑性區分布

4 工業性試驗

為驗證留設12 m寬煤柱的合理性，工程實踐選擇在88109回風巷與88110運輸巷的35聯巷與40聯巷之間留設12 m的煤柱，并對巷道進行深基點位移監測。其中深基點位移監測分為掘進、一次采動和二次采動3個階段。

(1)掘進階段。在試驗巷道掘進過程中，對頂板、兩幫各測站進行了深基點位移觀測，測試結果表明，頂板、兩幫變形量均很小，控制在5 mm以內。

(2)一次采動影響階段。試驗巷道距88109切眼距離為200 m，當88109工作面推至距觀測站100 m時開始一次回采影響階段觀測，到工作面推進400 m后觀測結束。以5號測站為例，觀測結果如圖5所示。

由圖5深基點位移監測可以看出，在超前工作面0～100 m范圍內，巷道頂板及兩幫變形量極小。當該工作面推過5號測站后，受采空區頂板垮落、下沉影響，頂板深基點位移未發生變化；兩幫變形量逐漸增加，滯后工作面250 m時變形趨于穩定。

(3)二次采動影響階段。當88110工作面推進至距5號測站80 m位置時開始第三階段觀測。二次采動影響階段的巷道變形結果如圖6所示。

圖5 一次采動影響階段巷道深基點位移變化

圖6 二次采動影響階段巷道深基點位移變化

由圖6監測結果可知，受88110工作面超前采動影響，5號測站深基點位移量隨著距工作面的距離減小而增大；在工作面距5號測站由80 m位置向40 m位置推進過程中，巷道位移速率增速較緩；當88110工作面與5號測站距離小于40 m后，巷道位移增長速率明顯加快，直到工作面推過測站。

根據深基點位移監測結果可知，留設12 m煤柱條件下，受一次采動影響后，巷道兩幫最終變形量分別為68 mm、138 mm，頂板變形量幾乎為0；受二次采動影響時，巷道兩幫變形量分別為213 mm、305 mm，頂板變形量為52 mm；巷道受二次采動超前應力影響下變形量相對較大，就整體而言，巷道變形量可以接受，且巷道在服務期間較為穩定，未發生大規模片幫或鼓脹現象，可以滿足巷道服務期間的使用要求。綜上所述，留設12 m 煤柱的方案合理可行。

5 結論

(1)根據理論分析計算得出，某礦主采8#煤區段煤柱的合理留設尺寸為11.65 m。

(2)數值模擬研究結果表明：當煤柱尺寸過小時，巷道周圍塑性區與煤柱塑性區連接，巷道穩定性極差；隨著煤柱尺寸的逐漸減小，支承應力集中程度逐漸增大，且支承應力最大值出現的位置越靠近采空側；確定了該礦淺埋厚煤層煤柱尺寸合理留設尺寸范圍為12～20 m。

(3)綜合理論計算、數值模擬與現場試驗得到的結果，最后確定該礦8#淺埋厚煤層區段煤柱的留設尺寸為12 m。

(4)通過工程驗證，留設12 m煤柱的巷道變形量整體不大，變形集中在兩幫，兩幫的最終變形量分別為213 mm和305 mm，能夠滿足安全生產的要求。

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(責任編輯 郭東芝)

Optimization and research of rational size of section coal pillar in shallow-buried thick coal seam

Chen Haijun1, Li Hongjiao2, Chen Yang2, Zheng Zheng3, Wei Zhen3, Xiao Peng3

(1. Shanxi Shide Sunjiagou Coal Mine Co., Ltd., Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd., Xinzhou, Shanxi 036600, China;2. China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;3. College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology,Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

Aiming at the problem of rational size of section coal pillar in shallow-buried thick coal seam, combined with practical engineering geological conditions, distribution rules of coal pillar bearing stress and plastic zone were studied by theoretical analysis, numerical simulation and field industrial tests. The results showed that the concentration degree of bearing stress increased with the decreasing of pillar size, and the location of maximum bearing stress was more close to goaf; when the pillar size was too small, the plastic zone around roadway was connected with the plastic zone in pillar, which was against roadway stability; in the end, combined with the results of theoretical analysis and calculation, numerical simulation and economy analysis, the rational width of coal pillar was determined as 12 m. The industrial tests verified that the roadway deformation could meet the requirement of safety production.

shallow-buried thick coal seam, section coal pillar, coal pillar size

陳海俊，李洪蛟，陳楊等. 淺埋厚煤層區段煤柱合理尺寸優化與研究[J]. 中國煤炭，2017,43(7)：89-93. Chen Haijun, Li Hongjiao, Chen Yang, et al. Optimization and research of rational size of section coal pillar in shallow-buried thick coal seam[J]. China Coal, 2017, 43 (7):89-93.

TD823

A

陳海俊(1981- )，男，山西省介休人，采礦工程師，中國礦業大學采礦工程專業碩士畢業，現從事采掘技術及礦井設計管理方面相關工作。