厚煤層綜放面區段煤柱合理寬度研究

趙慧鵬

（西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦， 山西 太原 030053）

DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2022.03.035

在煤礦采掘過程中，由于煤礦井下作業環境較為惡劣，使得在正常開采過程中，巷道受到的應力環境十分復雜，在采用厚煤層綜放方法進行煤層開采時，由于區段煤柱的留設，使得礦井煤炭資源浪費嚴重，同時隨著巷道進一步開采，煤柱尺寸增大，煤炭資源浪費情況加重[1]，因此，研究厚煤層綜放面煤柱寬度的合理尺寸對于維持巷道穩定性、提升礦井采煤率具有十分重要的意義[2]。本文以鎮城底礦22212 工作面為工程背景，采用數值模擬及理論分析等方法，對厚煤層堅硬頂板區段煤柱的留設進行研究，為礦井經濟效益的提升提供一定的參考。

1 鎮城底礦概況

鎮城底礦井田位于西山煤田的西北邊緣，距太原市64 km，礦區總面積22.8 km2，年生產能力190 萬t。井田含煤層地層為二迭系山西組及石炭系太原組，可采煤層有8 層，主采煤層為2 號、3 號和8 號。煤層總厚度16.79 m，含煤系數為10.42%，礦井地質構造較復雜。22212 工作面主要開采太原組2 號煤層，煤層厚度4.5 m，由于保護煤柱留設寬度較大，造成資源的嚴重浪費。

2 區段煤柱留設理論分析

回采工作面采用的護巷煤柱一般可分為窄煤柱和寬煤柱兩種，窄煤柱護巷是在采空區的邊緣布設一定寬度的窄煤柱，從而降低巷道的集中應力，利用窄煤柱的承載力進行巷道支護。但窄煤柱留設不合理時，會使得煤柱出現壓壞的情況，此時巷道煤巖的穩定性就無法得到保證，會造成巷道出現大幅度變形。而采用寬煤柱護巷時，既需要保證煤柱不會出現大面積塑性區破壞，同時也需要保證資源浪費量最小，所以需對區段煤柱的合理尺寸進行研究。對區段煤柱的應力分布情況進行分析，隨著煤柱寬度的增大，煤柱的應力分布情況也所有不同[3]。煤柱的應力分布大致可分為如圖1 所示的三種情形，圖中B 為煤柱寬度，L為支撐壓力影響范圍。

圖1 不同煤柱寬度應力分布

從圖1 可以看出，當區段煤柱綜放面回采完成后，此時工作面的擾動使得支撐壓力的影響距離和煤柱寬度分布呈現出三種趨勢。當B＞2L 時，此時的載荷分布呈現出堆成分布的情形，對稱軸為煤柱的中心線，應力分布呈現出雙駝峰狀；當L＜B＜2L 時，此時的應力的載荷呈現出疊加趨勢，整體應力分布呈現出馬鞍形；當B＜L 時，此時的煤柱兩側應力完全疊加，應力分布大幅度上升，煤柱中間的應力急劇增大，此時應力峰值呈現單峰態勢，長時間承載后煤柱中間易發生失穩破壞。由此可以看出，在長期采動影響下，煤柱發生蠕變，從而使得煤柱失穩，造成巷道變形。為了分析合理煤柱寬度，利用FLAC3D數值軟件對特厚煤層區段煤柱的合理寬度進行分析[4]。

3 數值模擬分析

首先結合礦井地質條件，構建數值模型，建立模型長、寬、高分別為394 m、8 m、285 m；在模型頂部施加覆巖自重，經過計算，確定施加5.4 MPa 的均布載荷；對模型進行網格劃分，整個模型經過網格劃分后共有66 138 個單元，98 334 個節點；根據頂底板巖層巖性對模型進行力學參數設定，設定完成后對模型寬度進行設定，分別選定煤柱寬度為8 m、10 m、13 m、15 m、20 m 和30 m；隨后對模型進行計算，由于模擬圖較多，本文僅展示8 m、15 m 和20 m 的云圖情況，如圖2 所示。

圖2 不同煤柱寬度煤柱垂直應力分布云圖

從圖2 可以看出，在巷道開挖過程中，巷道的原巖應力會出現重新分布。當煤柱寬度為8 m 時，煤柱的應力集中現象較為明顯，應力集中的區域較大。當煤柱寬度增大至15 m 時，此時高應力集中區域的面積大幅度減小，此時巷道煤柱內部的應力集中幾乎消失，而在采空區側，此時的應力集中區域無較大變化，隨著煤柱寬度的進一步增加，應力集中區域逐步降低，應力峰值出現在巷道側1 m 左右的位置，在采空區側應力峰值分布于2～3 m 的位置。在煤柱寬度從8 m增大至20 m 的過程中，此時巷道的應力峰值有了較大幅度的降低，峰值從24.2 MPa 降低至9.2 MPa。

對不同煤柱回采期間的垂直應力分布情況進行分析，將煤柱寬度為8 m、10 m、13 m、15 m、20 m、30 m時的垂直應力分布情況進行曲線繪制，如圖3 所示。

圖3 不同煤柱寬度垂直應力分布曲線

從圖3 可以看出，在工作面回采過程中，由于受到工作面采動及采空區側向支撐壓力的作用，使得煤柱在回采期間的應力峰值較掘進期間有了較大幅度的提升。當煤柱寬度為8 m 和10 m 時，此時的煤柱內部應力大致呈現出單峰的趨勢，應力的最大值分別為47.4 MPa 和51.8 MPa；當煤柱寬度增大至10 m 以上時，此時煤柱的內部應力分布呈現出不對稱的雙峰形態，而應力值較煤柱寬度小于10 m 時有了較大幅度的降低；在煤柱寬度為15 m 時，應力峰值為37.5 MPa，此時煤柱內部的應力環境較為緩和；而隨著煤柱寬度進一步增大，在煤柱寬度20 m 時，煤柱內部的應力峰值為27.5 MPa，在煤柱寬度為30 m 時，應力峰值為19.1 MPa。雖然隨著煤柱寬度增大，煤柱內部應力及巷道應力環境均有了大幅度的改善，但同時也會造成一定的資源浪費，所以煤柱的合理寬度應該設定在15～20 m 的范圍，煤柱寬度在此區段不僅可以保證巷道的穩定性，同時能夠避免造成大量的資源浪費[5]。

對煤柱內部的塑性區變化規律進行分析，繪制出不同煤柱寬度下塑性區面積與煤柱面積的比值曲線，如圖4 所示。

圖4 不同煤柱寬度下塑性區面積與煤柱面積的比值曲線

從圖4 可以看出，當煤柱寬度為8 m 和10 m 時，此時的煤柱內部塑性區域面積均大于整體面積的60%，同時在巷道側的塑性區域比值小于采空區側的塑性區域比值，可以看出此時煤柱幾乎完全破壞，在采空區側的應力環境更為惡劣；當煤柱寬度大于10 m時，此時的整體煤柱內部塑性區占煤柱整體面積的比值有所降低，分別為28%、16%、7%、4%，由此可以得出隨著煤柱寬度的增大，此時煤柱內部塑性區域面積有所降低，同時降低的幅度逐步減小，可得出煤柱的寬度對于煤柱內部塑性區影響較大；當煤柱寬度大于15 m 時，此時煤柱整體的塑性區分布能夠滿足要求，區段煤柱維護巷道穩定性的作用得到保障。因此，煤柱寬度的選擇應當選定為15 m。

4 結論

1）為了研究22212 綜放工作面開采煤層區段煤柱的合理尺寸，對寬煤柱支護巷道應力分布情況進行分析，為后續煤柱寬度的選擇提供依據。

2）通過對不同煤柱寬度下煤柱垂直應力分布情況進行分析發現，隨著巷道煤柱寬度的增大，煤柱內部垂直應力有了明顯的減小，在考慮資源浪費情況下，確定煤柱寬度為15～20 m 時最佳。

3）對不同煤柱寬度下煤柱內部塑性區分布進行分析發現，隨著煤柱寬度增加，煤柱內部塑性區面積減小，15 m 的煤柱寬度為最經濟、安全且合理的寬度。