采空区下薄煤层综采工作面护巷煤柱合理宽度研究

魏希杰，范小娟，曹 龙，张 涛，李明哲

（神木汇森凉水井矿业有限责任公司机电部，陕西 榆林 719300）

采空区下薄煤层综采工作面护巷煤柱合理宽度研究

魏希杰，范小娟，曹 龙，张 涛，李明哲

（神木汇森凉水井矿业有限责任公司机电部，陕西 榆林 719300）

为研究近距离浅埋煤层群下部薄煤层回采过程中护巷煤柱的宽度，以凉水井矿431盘区工作面护巷煤柱为研究对象，采用理论分析和数值模拟的方法，研究了不同煤柱宽度对煤柱稳定性的影响，为类似开采条件下的煤柱留设提供了参考。

护巷煤柱；薄煤层；浅埋煤层；近距离煤层

近年来随着煤炭资源的高速开采，我国许多矿井厚煤层资源逐渐趋于匮乏，为了延长矿井的开采年限节约煤炭资源，许多矿井开始进行薄煤层的开采[1-3]。陕西汇森煤业开发有限责任公司凉水井煤矿目前主采4-2煤层，4-2煤层工作面生产能力在600万t/a左右，为了达到矿井扩建后800万t/a的开采规模，矿井计划在4-3煤层布设薄煤层工作面对4-2煤层进行配采。为了实现对4-3煤层的安全高效开采，需要合理的设计工作面的护巷煤柱。护巷煤柱的宽度是工作面的重要参数之一，要求护巷煤柱的宽度不仅能提高煤炭的采出率，而且要保证工作面在回采过程中煤柱能保持稳定。为了确定合理的煤柱宽度，采用理论分析和数值模拟两种方法进行研究。

1 工程地质条件

凉水井矿4-3煤层431盘区位于4-2煤层421盘区正下方，两煤层平均间距为24.92 m，上部421盘区已基本回采完成，残留的工作面保护煤柱为15 m。431盘区煤质以暗煤、亮煤为主，煤层内生裂隙不甚发育，外生裂隙常被方解石脉及黄铁矿薄膜充填，煤层厚度1.05～1.4 m，平均1.14 m，倾角为0° ～1°，属近水平煤层，密度为1.29 t/m3，煤层普氏硬度为3，煤层埋深103～190 m，平均142 m，基载比小于1，属于典型的浅埋煤层；顶板以细粒砂岩为主，粉砂岩和中砂岩次之，单轴抗压强度为50～70 MPa，岩性较稳定。底板以粉砂岩为主，局部为细粒砂岩或泥岩，厚度0.66～14.25 m，偶见泥岩底板，底板单轴抗压强度为50～70 MPa，较为坚硬。

2 理论分析

护巷煤柱受回采巷道及采空区的影响，煤柱边缘区的煤体会受到不同程度的破坏，在采空区和回采巷道形成后，应力会不断的向煤柱深部发展，直到煤柱的承载强度和支承压力达到极限平衡状态，煤柱就处于稳定的状态，见图1。护巷煤柱两侧分别为采空区和回采巷道，在采空区一侧护巷煤柱形成塑性变形区x0，在回采巷道一侧形成塑性变形区x1。煤柱宽度的确定原则是在保证煤柱及回采巷道稳定的前提下，最大程度的提高煤炭采出率。

研究表明[4-8]：区段煤柱保持稳定的基本条件是要使得护巷煤柱煤柱中央存在一定宽度的弹性核并且弹性核的宽度一般不小于护巷煤柱高度的1～ 2倍。由于4-3煤上部的4-2煤层已经回采，因此考虑到上部煤层开采残留煤柱的影响，取弹性核的宽度为开采厚度的2倍。综合得到区段煤柱保持稳定状态的宽度表示为：式中：B为煤柱合理宽度，m；x0为采空区在区段煤柱一侧形成的塑性区宽度，m；h为煤柱高度即回采巷道高度，取2.25 m；x1为巷道在区段煤柱另一侧形成的塑性区宽度，m。

运用岩体的极限平衡理论得采空区形成的塑性区宽度x0为：式中：K为应力集中系数，取3.5；P为支架对煤帮的阻力，取0.1 MPa；M为采高，取1.4 m；C为煤体的粘聚力，取2.2 MPa；H为煤层埋深，取142 m；f为煤层与顶底板摩擦因数，取0.25为煤体的内摩擦角，取33°；ξ为三轴应力系数。

同样地运用极限平衡理论巷道形成的塑性区宽度x1为:

式中：α、k为广义Mises准则系数，

结合431盘区工作面条件，已知岩层容重γ取2.5 kN/m3，C为2.2 MPa，带入公式得出：当煤柱宽度不小于9.4 m时，煤柱实际承受的载荷低于极限载荷，煤柱不会失稳。

3 数值模拟

利用FLAC3D模拟软件分析区段煤柱中应力分布及应力状态，进而确定合理的区段煤柱尺寸。

1）模型建立:根据凉水井4-3煤层地质条件，模型尺寸（长×宽×高）为200 m×1 m×180 m，模型如图2所示。模拟过程中，4-2煤层残留煤柱为15 m，左侧70 m和右侧115 m为采空区，模型左右施加位移边界条件；模型高度为180 m，由工作面老底延伸至地表，模型上部边界初始应力为0 MPa，下部施加位移边界条件，模型前后选择位移边界条件，采用摩尔-库仑屈服准则，依据问题的需要，煤柱宽度模拟方案分别为5 m、10 m、15 m、20 m。

2）模拟结果分析:上部4-2煤开采后，下部431盘区薄煤层工作面护巷煤柱左侧工作面已回采右侧为回采巷道，右侧回采巷道右帮到实体煤应力分布曲线如图3所示，区段煤柱宽度为5 m时，右侧巷道右帮实体煤中应力峰值为5.45 MPa，应力集中系数为1.65，影响范围约8 m，应力峰值随区段煤柱尺寸增大而减小，其中区段煤柱宽度由5 m增加到10 m时应力峰值下降最大，其次是10 m增加到15 m时，当区段煤柱宽度由15 m增加到20 m时应力峰值基本保持不变，说明区段煤柱宽度为15 m后增加煤柱宽度对右侧巷道右帮实体煤应力峰值无太大影响。

不同区段煤柱宽度条件下煤柱内部应力状态，见图4。

不同区段煤柱宽度条件下，区段煤柱内部应力分布曲线，见图5。

a.随着区段煤柱宽度的增加，区段煤柱内部垂直应力曲线由单峰线逐渐向双峰线过渡。在区段煤柱尺寸为5 m时，区段煤柱内部只有一个应力峰值点，根据煤柱的失稳原则，区段煤柱中没有弹性核区，区段煤柱中塑性区发育范围达到最大，煤柱处于失稳状态，巷道维护难度最大；区段煤柱尺寸增加到10 m，区段煤柱应力曲线开始转为双峰线，随着区段煤柱宽度的持续增加，区段煤柱内部弹性区域逐渐增大，有利于区段煤柱的整体稳定。

b.区段煤柱内部应力峰值位置偏向煤柱左侧，应力分布曲线为双峰线条件下，左侧应力峰值位置距离左侧巷道保持在3～4 m左右，应力峰值的大小随着煤柱尺寸的增加呈现逐渐降低的趋势；右侧应力峰值大小随着区段煤柱尺寸的增加变化较小；区段煤柱内部左侧应力峰值较右侧稍大，分析是由于受到上部4-2煤层残留煤柱以及本煤层工作面邻近工作面已回采的影响；由煤柱内部应力曲线图可知当煤柱宽度为5 m时，煤柱内部应力峰值较大，当煤柱宽度增加到10 m时煤柱应力峰值明显减小，并且应力分布近似呈现“马鞍形”分布，当煤柱宽度继续增加到15 m与20 m时，煤柱内应力峰值变化不大应力分布呈现“马鞍形分布”，因此知当煤柱宽度小于10 m时随着区段煤柱尺寸的增加煤柱内部的应力集中程度降低。

根据以上数值模拟分析结果，区段煤柱的尺寸应超过10 m，能够保证煤柱内部的弹性区域，降低巷道的维护难度。综合理论分析及数值模拟确定的区段煤柱尺寸如表1所示。

理论分析及数值模拟是区段煤柱宽度留设的一般性方法，巷道维护是一个动态过程，应根据后期的巷道支护质量及巷道顶底板的围岩变形观测结果，对巷道支护参数及时作出相应的调整。4-3煤层埋藏较浅，上覆基岩层厚度较小，松散层厚度较大，基载比小于1，属浅埋煤层，421盘区工作面在回采期间经常出现动载矿压工作面支架经常出现压架事故，因此在确定431盘区工作面煤柱宽度时，要考虑到动载矿压的影响。在计算结果的基础上，根据421盘区工作面动压监测结果取富余系数为1.5，选择理论分析及数值模拟两者中的较大值，确定双巷布置条件下区段煤柱宽度为15 m。

4 结论

以凉水井煤矿431盘区薄煤层综采工作面护巷煤柱的合理确定为工程背景，采用理论分析与数值模拟两种方法进行研究，得到了如下结论：

1）当护巷煤柱的宽度不小于9.4 m时，煤柱稳定相较好；通过FLAC3D模拟了不同煤柱宽度下回采巷道侧向支撑压力分布以及煤柱内的应力分布，模拟结果显示当煤柱宽度大于等于10 m后，随着煤柱宽度的增加，回采巷道侧向支承压力峰值与煤柱内应力峰值变化均较小，并且当煤柱宽度不小于10 m时，煤柱内应力呈“马鞍形”分布，煤柱稳定性较好。

2）考虑到431盘区工作面煤层埋藏较浅以及受到上部421回采的影响，在计算结果上取1.5的富余系数，最终确定工作面护巷煤柱的宽度为15 m。

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[2]乔红兵,吴淼,胡登高.薄煤层开采综合机械化技术现状及发展[J].煤炭科学技术,2006,34(2):1-5.

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Reasonable Width of Chain Pillars on Fully-mechanized Mining Face of Thin Coal Seams under Gob

WEI Xijie,FAN Xiaojuan,CAO Long,ZHANG Tao,LI Mingzhe
(Electrical and Mechanical Department,Shenmu Huiseng Liangshuijing Mining Co.,Ltd.,Yulin 719300,China)

To determine the width of chain pillars in the caving process of thin coal seams of the lower part of close distance shallow seam group,taking the chain pillars of No.431 panel working face of Liangshuijing Mine as the study object,the effect of different width of pillars on the stability was studied by theoretical analysis and numerical simulation,which could be useful for the coal pillars in the similar mining condition.

chain pillars;thin coal seams;shallow seams;close distance seams

TD822.3

A

1672-5050（2015）01-0066-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.022

（编辑：樊敏）

2014-12-05

魏希杰（1986-），男，河北唐山人，大学本科，助理工程师，从事煤矿井下机械设备的管理工作。