綜采工作面區段窄煤柱尺寸研究

張冬冬

(山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，晉城0480027)

0 引言

區段煤柱是維護工作面回采巷道圍巖穩定的重要隔離體，對工作面安全開采具有重要意義[1-3]。莒山礦開采3 號煤屬于優質焦煤，以往的工作面開采過程中區段煤柱留設尺寸較大，造成了煤炭資源的大量損失，隨著3 號煤層資源儲量越來越少，為延長礦井服務年限，提高煤炭資源的采出率，急需對區段煤柱尺寸進行優化研究。本文以莒山礦f3202綜采工作面回風順槽為工程背景，對區段煤柱進行了研究。

1 工作面概況

f3203工作面所采的3號煤層位于山西組下部，煤層厚5.5 m～8.15 m，平均厚6.18 m，煤層平均埋深136 m，煤層結構簡單，含0～2 層矸石。該煤層穩定可采，煤層頂板以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖為主，局部發育薄層泥巖偽頂；底板巖性為泥巖、砂質泥巖。工作面設計長度150 m，推進長度1 200 m，采用綜放工藝回采，其中采2.2 m，放4 m，端頭不放煤。

f3203回風順槽沿底板沿空掘進，巷道設計為矩形斷面，巷道東側為區段煤柱，西側為f3203 工作面，規格為3 000 mm×3 000 mm，考慮支護厚度，回風順槽掘進斷面設計尺寸為3 200 mm×3 100 mm。巷道采用錨桿及錨索聯合支護，頂板錨桿采用高性能螺紋鋼錨桿，規格為φ 20 mm×2 000 mm，頂錨桿和幫錨桿間排距均為800 mm×800 mm；錨索直徑為φ 15.24 mm，錨索長度為8 300 mm，錨索采用2-0-1-0方式布置，間排距為1 600 mm×1 600 mm。

2 區段煤柱尺寸理論研究

f3201 工作面回采過程中煤層上覆巖層會發生破斷運移，工作面回采結束后采空區側向上覆巖層破斷運移會逐漸趨于穩定，在采空區側向區域內會出現破碎區、塑性強化區、彈性應力增高區和原巖應力區[4-6]，根據極限平衡理論，采空區側向塑性區與彈性區域的交匯處處于極限平衡狀態，并滿足如下應力平衡方程：

通過計算，可得出采空區塑性區域寬度公式為：

式中：m 為煤層采高，取割煤高度2.2 m；K 為應力集中系數，取2；λ為覆巖側壓系數，λ=μ/(1-μ)，μ取0.23；γ為上覆巖層容重，取25 kN/m3；H 為巷道埋藏深度，取136 m；C 為煤層彈塑性交匯處內聚力，取1.06 MPa；φ0為彈塑性交匯處內摩擦角，取27°；px為錨桿對巷道的側向壓力，取0.15 MPa。

將各參數代入式2中可得L0=2.73 m。

一次采動影響后，區段煤柱由塑性區和錨桿支護區組層，根據理論分析，采空區側向塑性區域寬度為2.73 m，f3203 回風順槽錨桿有效支護長度為2.0 m，則巷道東側區段煤柱最小極限寬度為5.73 m。

3 數值模擬研究

結合實際開采地質條件，采用FLAC3d 數值模擬軟件建立數值計算模型，模型尺寸為長(X)×寬(Y)×高(Z)=300 m×300 m×60 m，剩余上覆巖層采用均布載荷代替，模型底部限制垂直位移，兩側限制水平位移。模型采用摩爾-庫倫準則，大應變變形模式，模型主要物理力學參數見表1。結合理論分析本次模擬分別分析區段煤柱寬度4 m、6 m、8 m、10 m時應力變形情況。

表1 巖層物理力學參數表

圖1為數值模擬分析不同寬度條件下煤柱垂直應力分布規律，由圖可知，當煤柱寬度為4 m～6 m時煤柱所受垂直應力為4 MPa～6 MPa，巷道另一側實體煤幫所受應力相對較大，高達22 MPa～24 MPa；當煤柱寬度為8 m 時煤柱中部所受應力有所增大，最大應力10 MPa～12 MPa，實體煤幫應力為22 MPa；寬度為10 m時煤柱所受應力突然大幅度增大，最大應力高達24 MPa，煤柱結構穩定性大幅度降低，不利于巷道維護。

圖1 不同寬度煤柱所受垂直應力

由圖2 可知，隨著煤柱寬度的增大巷道變形逐漸減小。當煤柱寬度為4 m 時巷道頂板最大變形量為285 mm，煤柱幫變形量為212 mm，實體煤幫變形量為170 mm，底板變形量為141 mm；隨著煤柱寬度的增大巷道變形量大幅度減小，當煤柱寬度為8 m 時巷道頂板下沉量為180 mm，煤柱幫變形量為153 mm，實體煤幫變形量為122 mm，巷道底板變形量為75 mm。隨著煤柱寬度的進一步增大巷道圍巖變形量基本穩定。

圖2 沿空巷道圍巖變形曲線

4 區段煤柱尺寸確定

根據理論分析，區段煤柱最小寬度為5.73 m；根據數值模擬，當煤柱寬度為8 m 及以內時煤柱所受應力相對較小，高應力主要集中于實體煤幫，當煤柱寬度大于為10 m時煤柱所受應力大幅度增大，煤柱結構穩定性減弱，不利于后期采動期間的巷道維護，因此區段煤柱寬度應在10 m 以內；當煤柱寬度為8 m 及以上時巷道圍巖變形量逐漸趨于穩定，且圍巖變形量相對較小，因此煤柱不宜小于8 m。結合理論分析及數值模擬結果綜合考慮，區段煤柱尺寸為8 m。

5 結語

本文結合莒山礦f3203 工作面實際開采地質條件，對工作面區段煤柱進行了系統的研究，通過理論分析確定區段煤柱寬度為5.73 m，在此基礎上通過數值模擬研究分析了不同尺寸條件下煤柱應力分布規律和巷道圍巖變形規律，結合數值模擬研究結果最終確定區段煤柱寬度為8 m。