大采高工作面区段煤柱宽度量化研究

胡大冲，张保良，沈宝堂，孙熙震，于海锋

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.济宁矿业集团有限公司 安居煤矿，山东 济宁 272000)

大采高工作面区段煤柱宽度量化研究

胡大冲1，张保良1，沈宝堂1，孙熙震1，于海锋2

(1.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.济宁矿业集团有限公司 安居煤矿，山东 济宁 272000)

合理的区段煤柱宽度对于提高煤炭采出率、提升采煤作业的安全性具有重要作用。以杨家村煤矿22205工作面为工程背景，采用理论计算、现场监测和FLAC3D数值模拟等多种方法对9、12、15和21 m不同宽度区段煤柱进行计算分析。结果表明：当煤柱宽度为9和12 m时，煤柱大部分进入剪切破坏，塑性区范围较大，不能达到维持煤柱稳定的要求；当煤柱宽度为15和21 m时，顶板塑性区范围减小，煤柱承载能力增强，此时的煤柱宽度能满足稳定性要求。综合考虑煤炭资源回收、巷道围岩稳定性，确定工作面的区段煤柱宽度为15 m。

浅埋煤层；大采高；区段煤柱；数值模拟；量化研究

在我国当前经济新常态下，煤炭产业发展面临巨大的挑战。新疆、内蒙作为我国现阶段两个重要的煤炭生产基地，其煤层具有埋藏浅、赋存厚、地质条件简单等诸多优点。但充分开发该地区的煤炭资源，将对生产技术条件提出更高的要求，其中合理区段煤柱宽度是大采高一次采全高工作面开采要考虑的重要因素。国内外学者从不同角度对区段煤柱宽度进行了研究，取得了一些研究成果。孔德中等[1]提出合理区段煤柱宽度要考虑3个“有利于”原则；张世青等[2]研究表明浅埋薄基岩中厚煤层上覆岩层对煤柱影响较小，煤柱压力较小，塑性区不大，矿压显现不强烈；奚家米等[3-4]对不同宽度区段煤柱研究表明大煤柱能够保持巷道的稳定性；谭云亮等[5-6]研究了巷旁支护及留窄小煤柱的可能性。综上所述，现有文献从巷道的稳定性、支护效果、回采率大小等不同角度出发对区段煤柱宽度留设进行了研究。以某矿22205工作面为工程背景，结合现有研究成果，采用理论计算、现场监测、数值模拟相结合的方法对不同宽度区段煤柱进行研究，得出该矿区段煤柱留设的合理宽度。

1 工程背景

杨家村煤矿22采区2-2上煤层采用大采高一次采全高综合机械化开采；煤层平均埋深120 m，自然厚度1.80～10.28 m，平均6.03 m；煤岩层倾角0°30＇～2°，平均1°15＇，为近水平煤层，局部煤层存在着厚薄不均的夹矸(主要为泥岩)；工作面长度平均为220 m；该采区煤层赋存稳定，地质条件简单，根据钻孔揭露显示：煤层顶板依次为砂质泥岩顶板，平均厚度2 m；泥岩顶板，平均厚度11 m；砂质泥岩顶板，平均厚度48.5 m，砾岩顶板，平均厚度24.3 m。煤层底板依次为泥岩底板，平均厚度1 m；细砂岩底板，平均厚度30 m。

留设区段煤柱主要遵循原则：提高资源回收率、保证巷道的稳定性及防止火灾、瓦斯、水患等灾害的发生。根据已采采区情况来看，留设20 m区段煤柱在回采期间巷道稳定性好，围岩变形小，完全能够保障安全生产的要求，但造成较大资源浪费，现回采22采区，本着提高资源回收率的原则对煤柱合理宽度进行研究，基于煤柱极限平衡力学模型计算区段煤柱承载极限宽度，制定9、12、15、20 m留设方案，采用数值模拟和现场实测相结合方法，最终确定区段煤柱留设合理宽度。

图1 煤柱极限平衡力学模型Fig.1 Mechanical model of coal pillar limit equilibrium

2 理论计算及现场监测

2.1 理论计算

1) 在弹塑性变形状态下，煤柱的极限平衡力学模型[1,7]如图1所示。在采空区侧煤体出现应力集中，垂直应力随着远离煤柱边缘而显著增长，在距煤柱边缘一定宽度内，煤柱的承载能力与支承压力处于极限平衡状态。

由图1力学模型可得

(1)

式中：σy为煤体垂直应力；λ为侧压系数；Fx为支架对煤帮的支撑力；c为煤体的粘聚力；φ为煤层与顶底板界面处的摩察角；m为煤层厚度；τxy为煤体与顶底板之间切应力；K为采空区侧应力集中系数；H为煤层埋深；x0为采空区侧煤柱塑性区宽度。

2) 式(1)为采空区侧煤柱的塑性区宽度计算公式，回采巷道侧煤柱塑性区宽度[8]计算式为

(2)

式中：c为煤体的粘聚力；α为煤体的内摩擦角；P为原岩应力；r0为巷道半径。

3) 区段煤柱理论宽度[7]

W=K0(x0+R) 。

(3)

式中，K0为安全系数，K0=1.15～1.45。

将K=4，γ=25 kN/m3，Fx=0.32 MPa，c=1.9 MPa，α=32°,φ=31°，m=6 m，P=3.5 MPa代入公式(1)、(2)得到x0=6.7 m，R=2.5 m，取K0=1.3，代入式(3)得到区段煤柱理论宽度约为12 m。

2.2 现场监测

为确定杨家村煤矿22205工作面倾向应力分布，在工作面运输平巷下侧实体煤内安设了数个KSE型钻孔应力计，实测煤柱倾向支承压力在回采期间的变化情况。在22205工作面前方布置5个测站，各测站相隔10 m,每个测站布置5个测点，测点相隔1 m，测点深分别为3、5、7、9 和11 m，如图2所示。测点钻孔直径48 mm，高2 m。分析测站数据，选取一个测站数据得到倾向垂直应力随着工作面推进变化曲线，如图3所示。

图2 测点布置图Fig.2 Measuring points placement

图3 倾向垂直应力分布Fig.3 Side abutment pressure distribution

通过图3可以看出，不同测点应力在工作面推进过程中的变化曲线存在一定差别：

1) 不同测点应力峰值不同，7 m测点的应力峰值为16 MPa，3 m测点应力峰值为11 MPa，5和9 m测点应力峰值约为14.5 MPa，11 m煤柱应力峰值为12.3 MPa。

2) 随着工作面推进，垂直应力先增大后减小，呈单驼峰分布，应力峰值出现在工作面前方15 m左右。

3) 现场监测最大应力峰值出现在煤体内7 m左右，与理论计算采空区侧塑性区宽度一致，佐证了现场监测的可靠性。

图4 FLAC3D数值模拟模型图Fig.4 FLAC3D numerical simulation model

3 不同宽度煤柱数值模拟

3.1 模型建立

为了进一步研究区段煤柱留设宽度对顶板垂直应力及位移值的影响，综合考虑理论计算和现场监测结果，采用FLAC3D模拟分析宽度为9、12、15和21 m煤柱，建立如图4所示的数值计算模型。模型X、Y、Z三个方向的长度分别为：160 m×80 m×70 m，+Y方向为工作面回采方向，-Y方向为巷道掘进方向，+Z方向垂直向上。模型共划分为77 280个基本单元和85 950个节点，采用摩尔-库伦模型，模型边界条件为：在模型X方向两侧面加法方向位移约束，同时对Y方向的两个侧面加法方向位移约束，在模型的底面加Z方向竖直位移约束。煤层平均埋深120 m，重力加速度取10 m/s2，模型上边界施加的竖向均布载荷为3.5 MPa。模拟计算所需的部分岩层的岩体力学参数见表1。

3.2 不同宽度煤柱垂直应力分布规律

根据杨家村煤矿22205工作面煤层开采地质条件，工作面回采巷道为煤巷，宽度和高度分别为5和3.5 m，采用锚索支护方式。工作面设计长度220 m，开挖长度110 m，工作面多次推进，每次推进10 m，不同宽度煤柱垂直应力云图如图5所示。

表1 数值模拟计算模型的岩体力学参数

图5 不同煤柱宽度垂直应力分布云图Fig.5 Vertical stress distribution of different coal pillar widths

由图5分析可知：

1) 随着煤柱宽度增大，煤柱中部应力逐渐减小。煤柱宽度为9、12、15、21 m时，其应力依次为17.3、17.0、15.0、12.0 MPa。

2) 沿倾向支承压力先增大后减小再增大，呈现双驼峰形状，采空区侧应力比巷道侧大。

3) 煤柱应力峰值出现在采空区侧，不同宽度区段煤柱峰值应力比原岩应力高近1个数量级。

3.3 不同宽度煤柱位移场规律

图6和图7分别为巷道两帮和顶底板相对移近量随煤柱宽度变化曲线：

1) 巷道两帮移近量随着工作面推进先增大后减小，最后基本保持水平。巷道两帮最大位移在工作面前方15 m左右，随着煤柱宽度的增加巷道两帮最大位移依次减小，9 m煤柱两帮最大位移65 mm、12 m煤柱最大位移60 mm、15和21m煤柱最大位移约为55 mm。

2) 巷道顶底板移近量随着煤柱宽度的增大而减小，随着工作面的推进顶底板移近量先增大后减小，顶板最大下沉出现在距工作面15 m左右，其中9和12 m煤柱的顶底板移近量约为110 mm、15 m煤柱顶底板移近量为100 mm、21 m煤柱最大值则为90 mm。

3.4 不同宽度煤柱塑性破坏分布规律

不同宽度煤柱数值模拟得到塑性破坏分布规律如图8所示：

1) 在工作面采动影响下，煤柱两侧边缘煤体产生塑性破坏，煤柱边缘煤体应力降低，垂直应力向煤柱深部转移；窄煤柱在工作面采动影响下全部进入塑性区；煤柱宽度增大，在煤柱内部就会出现弹性核区，煤柱有一定的承载能力。

图6 不同煤柱宽度巷道两帮近量Fig.6 Convergence of lanes of different pillar widths

图7 不同煤柱宽度巷道顶底板移近量Fig.7 Roof-to-floor convergence of roadway of different pillar widths

图8 不同煤柱宽度塑性破坏特征Fig.8 The plastic fracture characteristics of different coal pillar widths

2) 煤柱宽度为9 m时，塑性区全部贯通，承载能力很小，无法保证煤柱稳定和巷道安全使用。煤柱宽度为12 m时，塑性区范围减小，煤柱承载能力增强，但不能达到维持巷道变形和煤柱稳定性的要求。

3) 煤柱宽度为15 m时，煤柱出现4～7 m弹性核区，此时煤柱可以承载来自采空区顶板的大部分载荷，如果加强支护可以满足稳定性的要求。煤柱宽度21 m时，煤柱塑性区分布在巷道边缘3～6 m范围内，弹性核区宽度在11～15 m之间，与煤柱宽度15 m相比，仅是增加煤柱的弹性区宽度，对煤柱的稳定性没有影响,此时煤柱更有利于巷道的稳定，但却增加了煤炭资源的损失。

通过FLAC3D数值模拟，对4种宽度区段煤柱稳定性及巷道围岩塑性区范围进行对比分析，考虑该矿22采区2-2上煤层开采工作面布置的实际情况，在一定支护强度条件下，煤柱宽度取15 m，既能满足生产使用要求，又可以提高煤炭资源回收率。

4 结论

1) 理论计算求得区段煤柱宽度为12 m。现场监测分析结果显示，侧向支承压力呈单驼峰分布，最大应力出现在煤体内7 m左右。

2) 由数值模拟结果可知：煤柱宽度为9 m时，煤柱处在侧向应力高峰区范围内；当煤柱宽度在9～12 m时，不能完全避开侧向支承压力高峰区；当煤柱宽度在12～15 m时，煤柱中部出现弹性核区，煤柱集中应力减小；煤柱宽度15～21 m时，煤柱内弹性核区范围进一步扩大，围岩变形较小。

3) 综合理论计算、现场监测和FLAC3D模拟结果，考虑资源回收、巷道稳定性、灾害控制等因素，确定22采区22205工作面煤柱合理宽度为15 m。

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(责任编辑：吕海亮)

Quantitative Study on Rational Width of Section Coal Pillar in Large Mining Height Working Face

HU Dachong1,ZHANG Baoliang1,SHEN Baotang1,SUN Xizhen1，YU Haifeng2

(1.College of Mining & Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China； 2.Anju Mine of Jining Mining Industry Group Co.Ltd,Jining,Shandong 272000,China)

Rational width of section coal pillar has important effects on improving the coal recovery rate and safety of coal mining operation.Based on the engineering background of working face 22205 in Yangjiacun coal mine,the paper calculated and analyzed the section coal pillar of the width of 9,12,15 and 21 m by using theoretical calculation,software of FLAC3Dand stress monitoring.The results show that when the width of segment pillar is 9 or 12 m,the coal pillar,most of which has shear failure and large scope of plastic zone,cannot meet the requirements for pillar stability.However,when the width of segment pillar is 15 or 21 m,the coal pillar,with stronger bearing capacity and smaller roof plastic zone,can meet the requirements for stability.Therefore,with a comprehensive consideration of various elements such as resources recovery and surrounding rock stability of roadway,the rational width of section coal pillar is determined as 15 m.

shallow depth mine; large mining height; section coal pillar; numerical simulation; quantitative study

2016-03-29

国家自然科学基金项目(51428401)

胡大冲(1991—)，男，山东滕州人，硕士研究生，主要从事矿山灾害与防治的研究.E-mail：2439025860@qq.com 沈宝堂(1964—)，男，河北河间人，教授，博士生导师，主要从事工程地质及矿山灾害防治研究，本文通信作者. E-mail：Baotang.shen@csiro.au

TD822.3

A

1672-3767(2017)03-0032-06