綜采工作面區段煤柱合理寬度研究

楊保國

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 古交 030200）

據統計，我國煤炭產量只有約1/3為科學產能。通過合理的預留煤柱，是提高井下巷道安全的主要措施之一。有研究表明，煤柱寬度與其側向支撐壓力的分布和巷道圍巖變形情況密切相關，并非煤柱的寬度越寬，對保護巷道的支護效果就越好。因此有必要對預設煤柱的寬度進行研究分析。

1 概況

西曲礦位于古交市汾河北岸，井田面積40.7km2，井田地質構造簡單，主要含煤層為石炭系太原組和二迭系山西組，共含14層煤，全區可采煤層厚度為13.65m，可采儲量3.43億t，煤層賦存平緩，傾角5?～8?。西曲礦水文地質條件中等，可采煤層5層，分別為：2#、4#、7#、8#、9#煤。

2 區段煤柱合理寬度的理論計算

根據對綜采工作面現場實測結果分析，煤體側向支撐壓力出現峰值處到巷幫最遠為6m，可知煤柱回采側塑性變形區寬度x0=6m；煤柱高度M=5.3m，得到煤柱彈性核寬度2M=10.6mm；可以對煤柱工作面巷道側塑性變形區寬度x1進行計算。根據極限平衡理論，計算遠離工作面側塑性區寬度為：

式中：

M-煤柱高度，取值5.3m；

λ-側壓系數；

μ-泊松比，取值0.28；

φ-煤體內摩擦角，取值38°；

K-應力集中系數，取值2.6（根據兩側應力峰值和煤柱原巖應力計算）；

ρ-上覆巖層的平均容比，取值2.4t/m3；

H-巷道埋深，取值135m；

C0-煤體內聚力，取值2.12MPa。

將上述參數值代入（1）、（2）式中可計算得：

將x0、x1、M值代入下式可以得出區段煤柱寬度：

綜上計算可知，1#綜采工作面煤層區段煤柱寬度不應小于24m。

3 支護效果數值模擬

通過采用數值計算軟件FLAC3D，在綜合考慮模型邊界效應的影響以及工作面圍巖特性的基礎上，對煤巖層采用矩形網格創建數值模型，采用“摩爾-庫侖”力學模型進行數值模擬。設置采高為5.3m，埋深為136m；模型大小規格為260×25×80m。由于煤層傾角較小，不考慮傾角對模型的影響。計算過程中對模型下表面分別施加水平應力和垂直應力，兩側面施加水平應力，并對位移進行固定。考慮到覆巖層重力的影響，在模型上表面施加垂直應力，具體計算模型如圖1所示。

圖1 FLAC3D計算模型圖

3.1 計算參數的確定

通過煤巖力學試驗以及參照相關的地質測量資料，得到巖體煤層具體物理參數如下表所示。

表1 數值模擬計算參數表

3.2 數值模擬方案

在煤巖性質等基本條件不變的前提下，分別以20m和30m兩種尺寸進行數值模擬。在工作面開挖前設置30m的邊界煤柱，不同區段煤柱兩側分別開設有長20m×寬6m×高5m的巷道，巷道頂板支撐力為0.7MPa，巷道各面均采用錨網索支護。

3.3 模擬結果分析

圖2 煤柱塑性區分布圖

圖2所示為不同寬度煤柱對應的塑性區分布圖，煤柱的一側為支護完好的巷道，另一側為采空區。從圖中可以看出，煤柱寬度為20m時，形成了彈性核區，其寬度為7m。根據巷道采動過程中煤柱保持穩定的基本條件是中間彈性核的寬度要大于采高（5.3m）的兩倍，可知在煤柱寬度為20m時，巷道采動過程中會形成較大的煤柱塑性區，且變形較大，不利于巷道支護，容易出現失穩現象。

當煤柱寬度為25m時，其形成的彈性核區寬度達11m，滿足煤柱保持穩定的基本條件，煤柱的穩定性較好。繼續增大煤柱寬度至30m時，彈性核區寬度為17m，表明煤柱處于穩定狀態，且隨著煤柱寬度的增大，其形成的彈性核區不斷增大。

通過上述理論計算和數值模擬分析可知，在不影響煤礦安全開采的前提下，選擇留設25m寬度煤柱，可以提高煤炭的采出率。

4 礦壓觀測

根據理論計算，工作面煤柱寬度按照25m進行設置。為了對計算結果進行驗證，對工作面區段煤柱側向表面位移的變化進了觀察分析。圖3、圖4所示為回采過程中，工作面回風巷幫移近量和移近速度的變化曲線圖。

圖3 煤柱側幫移近量變化曲線

圖4 煤柱側幫移近速度變化曲線

從圖3和圖4可以看出，整體而言移近量和移近速度隨著距工作面煤壁距離的增加而減小，但是當距離大于40m以后，煤柱側幫移近量增長變緩，每日的平均移近速度約為6mm/d；距工作面煤壁距離小于20m后，煤柱側幫移近量開始顯著增加，每日的變形量約為65mm；當距離小于10m后，由于附近煤體呈現塑性分布狀態，煤柱側幫移近量出現急劇上升，但是整體變形在170mm范圍內，符合正常開采的要求。因此工作面留設25m寬度的煤柱可以滿足煤礦正常開采需要。

5 結論

根據煤柱保持穩定的基本條件，對工作面區段煤柱合理寬度進行理論計算，得出煤柱寬度不應小于24m。應用數值計算軟件FLAC3D對其計算結果進行模擬計算，結果表明在不影響煤礦安全開采的前提下，選擇25m寬度的區段煤柱，可以提高煤炭的采出率，保證安全生產。