小煤柱開采合理寬度的確定及數值模擬分析

王彬彬

(同煤集團臨汾宏大雪坪煤業有限公司，山西 臨汾 041099)

引 言

近年來，隨著我國經濟的快速增長且新能源利用率不高的情況，對煤炭的需求量越來越大。為保證煤炭資源的可持續發展，盡可能的減小煤炭資源的浪費，需提升綜采工作面煤炭資源的采出率和利用率。因此，傳統寬煤柱護巷方式已經不可取，當前主流護巷以小煤柱為主，且在未來將采用無煤柱護巷的方式[1]。針對小煤柱開采其合理寬度這一參數在保證工作面生產安全性的基礎上，盡可能的提升工作面的開采率。本文將著重研究以數值模擬方式對小煤柱開采合理寬度的確定過程。

1 工程概況

本文以3101工作面的1#煤層的開采為例開展小煤柱開采方式在其應用。1#煤層的厚度范圍為2.8 m～3.2 m，平均厚度為3 m，煤層中主要以暗煤為主，中間夾雜著矸石。煤層的傾角范圍為14°～20°。總體說來，1#煤層相對穩定，當其結構相對復雜且頂板偽頂容易脫落。3101工作面頂底板情況，如表1所示。

表1 3101工作面頂底板情況

2 小煤柱巷道位置的確定

一般的，小煤柱開采時其對應巷道的位置，如圖1中的1#、2#、3#位置所示。

如圖1所示，當小煤柱開采對應的巷道確定為圖中1時，由于其對應煤柱寬度較小容易導致其內部發生塑性變形在回采階段容易出現片幫、冒頂事故的發生，但該位置便于對煤柱維護且回采率較高；當小煤柱開采對應的巷道確定為圖中2時，存在工作面圍巖應力值大且巷道的變形嚴重，后期維護困難，目前3101工作面就是采用圖2位置的小煤柱開采方式；當小煤柱開采對應的巷道確定為圖中3時，此時煤柱留設的寬度值較大具有較強的承載能力，便于后期對巷道維護，但是工作面對煤炭資源浪費較大且回采率低[2]。

圖1 小煤柱開采巷道位置選擇項

因此，煤柱寬度值的合理確定需同時兼顧巷道的支護成本和回采率兩項重要參數。因此，在巷道煤柱寬度留設寬度確定時需遵循如下原則：

1) 要求煤柱留設寬度值能夠有效隔離工作面的采空區，并避免采空區漏風發火的情況發生；

2) 在保證工作面巷道生產安全性的前提下(保證工作面圍巖的穩定性)，盡可能提高煤炭資源的回采率；

3) 要求所留設相應寬度的煤柱應具備較高承載能力[3]。

3 小煤柱留設寬度的確定

確定小煤柱留設寬度值可通過理論計算和數值模擬手段相結合的方式進行綜合分析。

3.1 基于理論計算確定小煤柱留設寬度值

小煤柱留設寬度理論計算依據極限平衡理論確定，對應的小煤柱留設寬度計算公式，如式(1) 所示。

B=Z1+Z2+Z3

(1)

式中，B為小煤柱合理寬度值；Z1為基于極限平衡理論下錨桿距離煤柱邊緣的距離；Z2為錨桿的有效長度；Z3一般取0.15-0.35×(Z1+Z2)。

結合3101工作面的實際情況，其錨桿距離煤柱邊緣的距離Z1=1.7 m；錨桿的設計長度為2 m，為保證錨桿支護的有效性一般取錨桿的有效長度為其設計長度為1.15倍，即Z2=1.15×2=2.3 m；則對應的取值范圍為0.6 m～1.4 m。經計算可得：小煤柱的合理寬度值=1.7+2.3+0.6(1.4)=4.6(5.4) m。因此，最終得出基于理論計算的小煤柱留設寬度范圍為4.6 m～5.4 m。

3.2 基于數值模擬確定煤柱留設寬度

3.2.1 數值模擬模型的搭建

本文將基于數值模擬軟件結合3101工作面的尺寸建立模型，所確定數值仿真模擬模型的高度為40 m，寬度為70 m，長度為190 m，如圖2所示。

根據表1所測得3101工作面頂底板情況中頂板和底板各個巖層容重、抗壓強度、抗拉強度、內摩擦角、彈性模量以泊松比等參數，如圖2所示的模型中進行對應性的設計[4]。在保證數值模擬模型有效性的基礎上，分別對煤柱留設寬度值分別為3 m、5 m、10 m、15 m、22 m以及35 m時在回采期間煤柱應力情況進行模擬分析。

圖2 3101工作面小煤柱開采數值模擬模型

3.2.2 不同煤柱寬度對應煤柱應力變化

不同煤柱寬度對應煤柱應力變化情況如圖3、圖4所示。其中，圖3為不同煤柱寬度對應煤柱垂直應力變化，圖4為不同煤柱寬度對應煤柱水平應力變化。

圖3 不同煤柱寬度對應煤柱垂直應力變化

圖4 不同煤柱寬度對應煤柱水平應力變化

分析圖3可得出如下結論：

1) 隨著煤柱留設寬度的增加，對應煤柱最大垂直應力增大。當煤柱留設寬度為3 m時其煤柱最大垂直應力為9.1 MPa；當煤柱寬度為35 m時其煤柱最大垂直應力為24.2 MPa。

2) 不同煤柱留設寬度在回采期間煤柱垂直應力的變化趨勢一致[5]。而且，巷道頂板對應的垂直應力值較小，而巷道兩幫的應力集中現象嚴重，即巷道頂板變形較小，兩幫變形嚴重。

分析圖4得出如下結論：

1) 隨著煤柱留設寬度的增加，對應煤柱最大水平應力增大。當煤柱留設寬度為3 m時其煤柱最大水平應力為9.3 MPa；當煤柱寬度為35 m時其煤柱最大水平應力為20.32 MPa。

總的來說，當煤柱寬度為5 m時對應煤柱內部的應力變化相對穩定，即其具有較好的穩定性；當煤柱為10 m～20 m時煤柱內部應力變化較大，后期維護困難較大；當煤柱寬度為35 m時，雖然其內部應力變化范圍小，但是對應的回采率低，造成煤炭資源的浪費。

因此，綜合小煤柱開采留設寬度的理論計算和數值模擬分析，最終確定小煤柱開采的最佳留設寬度為5 m。

4 結語

為解決傳統寬煤柱開采煤炭資源回采率低，煤炭浪費嚴重的問題，小煤柱開采甚至無煤柱開采為未來煤炭開采的主要趨勢。而小煤柱開采中對應留設寬度的合理性需綜合煤礦開采的安全性和回采率兩項指標。本文對3101工作面小煤柱開采留設寬度綜合理論計算和數值模擬方式最終確定為5 m。