構造復雜煤層工作面煤柱寬度留設研究

白云杰，齊春濤

（山東里能魯西礦業(yè)有限公司，山東 濟寧 272000）

0 引 言

處于穩(wěn)定狀態(tài)的巖層得到一個方向的空間釋放后，需要通過外力來控制以達到巖層的穩(wěn)定。采煤工作面的圍巖控制是保證煤炭安全采出的關鍵[1-4]。相鄰工作面之間的煤柱是保護巷道穩(wěn)定的重要影響因素，而煤柱的寬度又是煤柱發(fā)揮作用的關鍵。對于構造復雜煤層，煤柱寬度的留設不同于普通煤層。由于構造復雜煤層頂板巖層多變，對煤柱的作用不均勻，不同位置的巖層對煤柱的破壞影響不同。因此，研究構造復雜煤層的煤柱寬度對巷道穩(wěn)定性的影響至關重要。本文以魯西煤礦3上118綜采工作面和3上116綜采工作面之間的煤柱為研究對象，通過數(shù)值模擬分析了不同煤柱寬度下3上118運輸巷道和煤柱的受力和變形特征，以選出最佳的煤柱寬度。

1 工程概況

魯西煤礦位于主要含煤地層為山西組和太原組，總厚度約為253.60m。3上煤層位于山西組中上部，埋深120～328m。3上煤層厚度為1.80-3.15m，煤層傾角20～100，煤內(nèi)部裂隙較發(fā)育。煤層的直接頂為粉砂巖，厚度為0.2-2.5m，平均2.3m，顏色為深灰色，下部灰黑色，巨厚層狀，泥質(zhì)結(jié)構；煤層基本頂為細砂巖，厚度為4.6～9.5m，平均為6.5m，顏色為灰色，薄層狀，細砂狀結(jié)構，參差狀斷口，波狀層理發(fā)育；直接底為粉砂質(zhì)泥巖，厚度為0.1～1.1m，平均0.5m，顏色為深灰色，上部厚層狀，下部薄層狀，平坦狀斷口；基本底為粉砂巖，厚度為0.6～6.1m，平均為4.2m，顏色為淺灰-灰白色，薄層狀，細粒砂狀結(jié)構，夾煤線及泥紋，顯示水平層理，局部夾泥質(zhì)包體。3上116工作面與3上118工作面為相鄰工作面，3上116工作面與3上118工作面之間需要留設保護煤柱。

3上煤層受煤層沉積影響，煤層傾角、厚度變化較大，即為構造復雜煤層。對于構造復雜煤層，煤柱寬度的留設不同于普通煤層。為保護相鄰巷道圍巖穩(wěn)定的基礎上，提高煤炭開采率，需要詳細研究煤柱寬度對巷道圍巖穩(wěn)定的影響規(guī)律。

2 煤柱寬度數(shù)值模擬

根據(jù)魯西煤礦的頂?shù)装鍘r層和煤層分布，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，模型尺寸為300 m×100 m×62 m。對計算模型采用等分的方式劃分單元，共劃分出148500個長方體單元和165031個網(wǎng)格點。

根據(jù)現(xiàn)有的研究和參考相鄰礦井的煤柱留設參數(shù)，設計煤柱寬度為 2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m，分析3上118工作面運輸巷道的垂直位移、水平位移和煤柱垂直應力情況。

2.1 巷道圍巖變形

不同煤柱寬度下3上118運輸巷道垂直位移如圖1，不同煤柱寬度下3上118運輸巷道水平位移如圖1所示。

圖1 不同煤柱寬度下3上118運輸巷道垂直位移

圖2 不同煤柱寬度下3上118運輸巷道水平位移

由圖1可知，隨著煤柱寬度的增加，3上118運輸巷道垂直位移逐漸降低，當煤柱寬度為2m時巷道垂直位移為268mm，這明顯超過巷道允許變形范圍。3上118運輸巷道垂直位移隨煤柱寬度增加而降低的速率是不同的，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。當煤柱寬度為6m時，曲線出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點，此時垂直位移為68mm，在允許巷道變形范圍內(nèi)。當煤柱寬度大于6m時，隨著煤柱寬度增加，3上118運輸巷道垂直位移的變化不再明顯。所以，從巷道垂直位移的角度考慮，煤柱最佳寬度為6m。

由圖2可知，隨著煤柱寬度的增加，3上118運輸巷道水平位移逐漸降低，當煤柱寬度為2m時巷道水平位移為256mm，這明顯超過巷道允許變形范圍。3上118運輸巷道水平位移隨煤柱寬度增加而降低的速率是不同的，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。當煤柱寬度為6m時，曲線出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點，此時垂直位移為50mm，在允許巷道變形范圍內(nèi)。當煤柱寬度大于6m時，隨著煤柱寬度增加，3上118運輸巷道水平位移的變化不再明顯。所以，從巷道水平位移的角度考慮，煤柱最佳寬度為6m。

2.2 煤柱受力

不同煤柱寬度下3上118運輸巷道與3上116回風巷道之間的煤柱垂直受力如圖3所示。

由圖3可知，隨著煤柱寬度的增加，煤柱垂直受力逐漸降低，當煤柱寬度為2m時煤柱垂直受力為15MPa，這基本超過煤體的抗壓強度，說明煤柱進入塑性階段。煤柱垂直應力隨煤柱寬度增加而降低的速率是不同的，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。當煤柱寬度為5～6m時，曲線變化趨勢改變的相對較明顯，此時煤柱垂直應力約為6～7.5MPa，未超過煤體的強度。當煤柱寬度大于7m時，隨著煤柱寬度增加，煤柱垂直應力的變化不再明顯。所以，從煤柱垂直應力的角度考慮，煤柱最佳寬度為5～6m。

圖3 不同煤柱寬度下煤柱垂直受力

綜合煤柱垂直應力、不同煤柱寬度下3上118運輸巷道垂直位移和水平位移，確定3上118運輸巷道與3上116回風巷道之間的煤柱最佳寬度為6m。

3 結(jié) 論

構造復雜煤層煤柱寬度的留設不同于普通煤層。通過數(shù)值模擬研究了不同煤柱寬度下3上118運輸巷道垂直位移和水平位移、以及不同煤柱寬度下煤柱垂直受力。

從巷道垂直位移的角度考慮，煤柱最佳寬度為6m；從巷道水平位移的角度考慮，煤柱最佳寬度為6m。綜合煤柱垂直應力、不同煤柱寬度下3上118運輸巷道垂直位移和水平位移，3上118運輸巷道與3上116回風巷道之間的煤柱最佳寬度為6m。