大埋深礦井區間煤柱合理寬度研究

寇成寶

(晉能控股集團北辛窯煤業有限公司，山西 忻州 034000)

1 工程背景

井下開采煤炭資源時，相當一部分資源損失在區段煤柱留設時，煤柱尺寸在部分礦井甚至達到100 m以上，造成了很多不必要的資源浪費[1]。高浩等認為采掘工程使地下空間原巖應力變化，通過經驗公式求得合理留設煤柱寬度與煤柱內應力變化區域，再使用數值模擬手段論證煤柱留設合理性[2]。余學義通過對區段煤柱進行的應力監測，總結煤柱內應力變化規律，通過現場監測數據結合數值模擬對煤柱尺寸進行優化[3]。

現北辛窯礦嘗試小煤柱留設，由原來的85 m煤柱研究一個較為合理的煤柱尺寸。北辛窯礦平均埋深487 m，核定產能4.0 Mt/a，坐落于山西忻州市寧武縣，低瓦斯礦井，現主采5#煤層，5#煤區段煤柱85 m，即將開采的8104工作面與尚未掘巷的8105回風順槽現進行煤柱縮小工作，井田位置見圖1。

圖1 礦井位置圖

取8104工作面煤層及頂底板制取巖樣并進行力學測試，結果如表1所示。

表1 巖石力學參數表

2 理論寬度求解

巷道采掘后，原巖應力發生改變，區段煤柱應力分布發生變化，會在煤柱內出現一個彈性核，彈性核區間內應力降低，煤體內應力分布如圖2所示[4]。

圖2 煤體內應力分布

如圖2所示，G(ε)[L(ε)]表示巷道開挖對左(右)側煤柱內應力的影響，其中，g1(ε)[l1(ε)]為對塑性區應力的影響，g2(ε)[l2(ε)]為對彈性區應力的影響。

巷道開挖后煤體內應力分布同工作面回采后煤體內應力分布相類似，其中左側煤體內應力分布見式(1)。

(1)

式中，k2為煤柱應力增高系數；γ2為煤柱應力側壓系數；xg為調節參數；x2為塑性區范圍，m。t=(-ε+xg+B/2-x2)/xg。x2塑性區范圍如第101頁式(2)所示。

(2)

煤柱應力分布見式(3)，區段煤柱應力分布示意圖見圖3。

(3)

其中，o=(xg+ε-B/2-W-x2)/xg。

煤柱保持穩定且可以有效隔絕瓦斯需滿足以下條件：彈性核大于煤高度2倍且彈性核區間存在[4-5]。

因此，4102工作面回風側合理煤柱寬度見式(4)。

B>X0+2M+x1

(4)

式中，x0為煤柱左側塑性區寬度,計算見式(5)。

(5)

x1為煤柱右側塑性區寬度,計算見式(6)。

(6)

由于煤柱寬度不同，相應的煤柱塑性區內寬度也不同，代入參數求解式(4)～式(6)，得x0=12.79，x1=13.31，2m=7.86；則B=32.96。同時，考慮4105回風順槽保留一定的安全系數1.1，則煤柱寬度應大于34.65 m。故煤柱寬度為35 m。

圖3 區段煤柱應力分布示意圖

3 數值模擬

3.1 數值模型建立

FLAC軟件基于有限元計算，模擬真實地質賦存與圍巖狀況，根據高河煤礦實際工礦，建立數值模型[4-6]。模型包括3#及上、下不同巖性巖層共11層，根據不同煤柱尺寸建立模型，計算當煤柱尺寸為20、30、35、40 m時工作面開采后，不同煤柱尺寸的位移、水平應力與垂直位移，從而依據不同的圍巖狀況，選取最合適的煤柱尺寸。

模型考慮計數便宜性與準確性，采用均勻寬度制取網格在水平方向，但在垂直方向，考慮計算快速性，煤柱附近劃分較密集，其余地方相對稀疏。固定模型8104模型兩側邊界與前后邊界，頂部施加13.2 MPa的上覆載荷。

表2為模型巖層的分類和力學參數，圖4為構建的模型。

表2 巖石力學參數表

圖4 模型三維示意圖

根據留巷側留設大煤柱實際情況建立三維數值模型，模擬8104工作面回采完成后，在不同的煤柱寬度下8105工作面回采時煤柱的應力、巷道圍巖變形情況和塑性區演化過程。模擬留設煤柱寬度分別為25、30、35、40 m時，從而確定合理的煤柱寬度。

3.2 數值模擬分析

由圖5～圖8可知，左右兩側塑性區貫通，煤柱內應力不斷增長，且煤柱基本上全部處于塑性區。就是煤柱塑性區貫通期間，煤柱內應力相對于開采初期有小幅度的突增，變化幅度6MPa左右，這主要由于超前支承壓力的影響，再加之煤柱彈性區過小，應力遠超煤柱的承載極限。

相對于25 m煤柱應力峰值有所減小，并且應力峰值同樣滯后工作面35 m左右，30 m寬煤柱塑性區應力分布情況與25 m寬煤柱相似，但30 m寬煤柱比25 m寬煤柱承載能力強，30 m寬煤柱是工作面推至140 m時塑性區才貫通，而25 m寬煤柱在工作面推至100 m時塑性區就已經貫通。從應力角度看，當工作面推進相同距離時，30 m煤柱應力峰值顯然要比25 m寬煤柱小得多，說明其承載能力有所增加。

35 m煤柱塑性區較前二者更小，在工作面推進過程中，煤柱右側塑性區不斷發育，但是并沒有貫穿整個煤柱，煤柱中間部分仍保持完好狀態。在應力方面，煤柱應力峰值不斷增大，并由偏左側向煤柱中間內移，但應力峰值沒有重合，煤柱中間還有一部分應力較小的彈性區。

煤柱寬度增大至40 m時，煤柱塑性區范圍也沒有明顯的增大，應力分布也比較均衡，應力峰值為38 MPa左右，但煤柱寬度較大，煤柱絕大部分在其極限載荷下工作，即彈性區很大，煤柱十分穩定，會造成資源浪費。

圍巖內最小垂直應力為23.8 MPa，應力集中系數為1.28，此時煤柱寬度為45 m，但是當煤柱寬度大于35 m后煤柱應力變化不大，基本保持不變；圍巖內最大垂直應力為41.1 MPa，應力集中系數為2.21，此時煤柱寬度為20 m。

圖5 25 m煤柱塑性區應力變化情況

圖6 30 m煤柱塑性區應力變化情況

圖7 35 m煤柱塑性區應力變化情況

圖8 40 m煤柱塑性區應力變化情況

4 結論

1) 理論計算求得煤柱應選取35 m左右。

2) 煤柱寬度20 m到35 m，巷道煤柱幫變形量由190 mm減小到132 mm，下降了30.5%，巷道實體煤幫變形量由322 mm減少到184 mm，下降了42.9%，巷道頂板下沉量由836 mm減少到356 mm，下降了57.4%，巷道煤柱幫變形量由261 mm減少到77 mm，下降了70.5%，因此，選擇煤柱寬度為35 m。

3) 綜合理論計算與數值模擬，并基于資源合理利用的出發點，求得煤柱35 m較為合理。