软煤层大采高工作面顺槽煤柱尺寸留设的研究

姚少武

（山西威德睦方煤矿设计咨询有限公司，山西 太原 030021）

软煤层大采高工作面顺槽煤柱尺寸留设的研究

姚少武

（山西威德睦方煤矿设计咨询有限公司，山西 太原 030021）

在分析经验法、现场实测法、理论计算法和数值模拟确定煤柱尺寸优缺点的基础上，提出了利用理论计算、现场实测和数值模拟分析相结合的方法来确定软煤层大采高工作面回采巷道的煤柱尺寸，并根据晋煤集团赵庄矿3305软煤层大采高工作面生产实际，依照理论计算法求出煤柱留设尺寸，然后对巷道开挖前后不同煤柱尺寸下的围岩应力、变形进行了数值模拟研究。最后，结合现场实测数据得出了巷道围岩变形、煤柱受力与煤柱尺寸之间的关系，确定了该工作面煤柱留设的合理尺寸。实践证明，在理论计算的基础上结合数值模拟分析和现场实测是确定软煤层大采高工作面煤柱尺寸的一种合理有效的方法。

煤柱尺寸；理论计算；数值模拟；实测

煤柱是回采巷道围岩的重要组成部分，其稳定性与巷道围岩控制、巷道维护成本及安全生产密切相关。煤柱稳定性是保证巷道稳定的关键因素，对于软煤层大采高工作面而言，合理确定煤柱留设尺寸尤为重要。一般而言，煤柱尺寸越大对回采巷道稳定性维护越有利，但这也相对降低了煤炭回收率，如何兼顾资源回收与巷道稳定是确定合理煤柱尺寸留设的重要问题。为确保巷道稳定及资源回收，以赵庄矿3305软煤层大采高工作面为例，进行了软煤层大采高回采巷道煤柱尺寸确定的研究，3305工作面顺槽煤柱留设方式如图1所示。

图1 3305工作面顺槽煤柱留设方式示意图

1 工作面概况

3305工作面开采二叠系下统山西3号煤，工作面地面平均标高1012m，煤层平均埋深500m。煤层以亮煤为主，夹带状镜煤，整体表现疏松、质软，其力学特征从下至上为：松软—较硬—松软。工作面倾向219.7m，走向1757.9m，煤层厚度3.5m～6.2m，均厚5.5m，煤层倾角1°～15°，平均倾角为8°，煤层赋存稳定。该工作面距开切眼952m处有一陷落柱，东西向长96m，南北向长47m。揭露28个正断层，煤层节理总体较为发育，主要两个方向，走向分别为45°～60°，135°～150°，以45°～60°方向节理密度大，节理面平直，裂隙紧密无充填，其它方向节理延伸短，节理面不够平直，发育密度及规范性不强[2]。根据现场打钻取芯和实验室煤岩体物理力学参数试验结果，对3305工作面围岩物理力学参数分析评价如表1所示。

表1 3305工作面围岩物理力学参数分析

2 煤柱尺寸的理论计算

2.1 常规理论计算

煤柱上的载荷是由煤柱上覆岩层重力和一侧或两侧采空区悬露岩层重力转移到煤柱上的部分重力所引起的，由常规理论计算公式[3]可导出：式中：σc为煤块单轴抗压强度，M P a；h为煤柱高度，m；B为煤柱尺寸，m；δ为采空区覆岩垮落角，°；γ为覆岩容重，k N/m3。

该矿3305工作面平均埋深500m，采空区宽度L约为220m，采空区上覆岩层垮落角取30°，煤层平均高度为5.5m，上覆岩层平均容重γ取为25k N/m3，该面的煤体单轴抗压强度σc取为32.2M P a。

将上述参数带入式1，得B≥64.4m。依照图1所示顺槽掘进方式，单个煤柱尺寸为b，由于B=2b，因此，煤柱的留设尺寸不应小于32.2m。考虑3305软煤层大采高工作面地质条件复杂，安全系数f取为1.2，则实际工作状态下煤柱的留设尺寸考虑为38.5m。

2.2 塑性理论计算

合理的煤柱尺寸必须能够保证煤柱的稳定性，而煤柱的稳定性与煤柱的应力状态密切相关。煤柱中应力分布可分为弹性区和塑性区，因此可以通过各个分区的宽度来确定煤柱的合理宽度。合理煤柱尺寸B可以由式(2)计算得出[4]。B=xo+R+L. （2）

式中：xo为靠采空区一侧塑性区宽度，m；R为靠巷道一侧塑性区宽度，m；L为弹性区宽度，m。

3 煤柱稳定性数值模拟

3.1 模拟方案

依据理论计算，该软煤层大采高工作面开采合理煤柱尺寸应不小于38.3m，运用FL A C 3D软件分别按照煤柱尺寸为30m、35m、40m、45m、50m建立模拟模型，考察不同尺寸的煤柱的水平应力分布、垂直应力分布及顺槽围岩位移量，并评价其稳定性，据此评价结果确定煤柱的合理留设尺寸。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 不同尺寸煤柱垂直应力分布

在3305工作面挖掘巷道，采区煤层应力会重新分布，在煤柱内形成侧向支承应力。图2为煤体上方支承应力分布曲线，其中水平应力和垂直应力均取自假定留设煤柱尺寸为30m～50m范围时回采巷道顶板中部的煤柱侧帮中部的水平主应力和垂直主应力值。

2-a 30m宽煤柱垂直应力分布 2-B35m宽煤柱垂直应力分布

图2 不同尺寸煤柱垂直应力分布

由模拟结果可知，煤柱尺寸在30m～50m范围内，水平应力远小于垂直主应力。煤柱宽度为30m时，巷道左侧煤柱中的最大垂直应力为35M P a，煤柱尺寸增加到35m时，垂直应力降低为31M P a，但应力集中区范围增大。煤柱尺寸增加到40m后，垂直应力和应力集中区范围不断减小，但其减小速率渐趋平缓。

3.2.2 不同煤柱宽度时煤柱塑性区分布规律

不同尺寸煤柱支承应力分布如图3所示。从数值模拟图中可以看出：煤柱尺寸为30m和35m时，整个煤柱底板处于剪切破坏状态，这时煤柱处于不稳定状态；煤柱尺寸从40m增加到50m时，部分煤柱底板处于剪切破坏状态，这时煤柱基本稳定，塑性区靠采空区侧范围较大。煤柱宽度大于40m后，随煤柱尺寸增加，靠采空区侧塑性区范围变化较小。煤柱宽度从30m增大到50m过程中，巷道附近塑性区逐渐减小，煤柱尺寸超过40m后，塑性区范围减小尤为明显。

3-a 30m宽煤柱塑性区分布 3-B35m宽煤柱塑性区分布

图3 不同尺寸煤柱支承应力分布

3.2.3 不同尺寸煤柱时巷道围岩位移分布规律

煤柱尺寸分别为30m、35m、40m、45m、50m时，巷道围岩位移分布如图4所示。从图中可以看出，围岩位移随煤柱尺寸的增加而减小，煤柱尺寸从30m增加到40m时，位移变化较快，而后变化较缓，说明煤柱在30m～40m范围内，煤柱尺寸的增加对煤柱及巷道围岩稳定性增强作用较为明显，超过40m后，增加煤柱尺寸对煤柱及围岩稳定性增强作用不明显，故煤柱尺寸应确定为40m左右为宜。

图4 不同煤柱尺寸巷道围岩位移变化曲线

4 现场实测

4.1 测站布置

为了解软煤层大采高煤柱实际受力情况，需要对3305工作面超前和滞后巷道的煤柱进行应力观测。在工作面顺槽共布置15枚钻孔应力计进行煤柱应力观测。

图5 最大应力状态时煤柱剖面应力分布

4.2 结果分析

由煤柱剖面应力分布曲线（图5所示）可知，沿工作面倾向，煤柱应力峰值出现在距煤壁12.8m左右，在距采面6.5m处煤柱出现最大应力状态，两峰值间的煤柱应力曲线渐进于水平，据此推断，煤柱尺寸在37m左右处于稳定状态。若煤柱尺寸小于30m处于极不稳定状态，尺寸在30m～35m处于临界稳定状态，据此推断煤柱合理留设尺寸应不小于37m。

5 结语

（1）在理论计算的基础上，根据实际情况进行数值模拟及现场实测分析，确定了3305软煤层大采高工作面煤柱合理留设尺寸应为39m～41m。

（2）在确定软煤层大采高巷道煤柱留设尺寸时，还应综合考虑煤层强度、地应力大小和直接顶厚度等因素。对于煤层破碎、强度小，地应力大，直接顶较薄的工作面煤柱尺寸应相应增加，同时还应考虑到回采过程中的采动影响系数，以确定理论上煤柱的最大尺寸。

[1]奚家米，毛久海，杨更社，等.回采巷道合理煤柱宽度确定方法研究与应用[J].采矿与安全工程学报，2008，4(25):400-403.

[2]朱 涛，郝庆利，宋敏，等.软煤层大采高长壁工作面矿压观测及显现规律[J].太原理工大学学报，2009，41(2):205-208.

[3]陶占元.回采巷道护巷煤柱合理宽度的研究[J].中州煤炭，2008(5):20-22.

[4]刘进权.回采巷道护巷煤柱合理宽度的探讨[J].山西煤炭，2009，29(1):22-34.

Research on Crossheading Pillar Retained Size on Large-mining-heighTWorking Faces in SofTSeams

YAO Shao-wu

(Weide Kuifang Mine Design and Consulting Co., Taiyuan Shanxi 030021)

On the analysis of strengths and weaknesses of coal pillar size measurement though some methods as experience method, field measurement method, theoretical calculation and numerical simulation,the pillar size of large-mining-height working face among soft seams were determined. According to the real situation of No.3305 soft seam of Zhaozhuang Mine and the theoretical calculation, the pillar retained sizes were also determined, and then the surrounding rock stress and deformation were studied through numerical simulation. At last, the relationship were concluded by the field data between surrounding deformation, pillar load and pillar size. The rational pillar retained size was determined. The practice proved the approach to be reasonable and effective.

pillar size; theoretical calculation; numerical simulation; field measurement

TD 822+.3

A

1672-5050（2011）10-0036-04

2011-06-22

姚少武（1983—）男，山西太原人，大专，助理工程师，从事煤矿设计及咨询工作。

刘新光