综采工作面区段煤柱合理宽度研究

杨保国

（山西西山煤电股份有限公司西曲矿，山西 古交 030200）

据统计，我国煤炭产量只有约1/3为科学产能。通过合理的预留煤柱，是提高井下巷道安全的主要措施之一。有研究表明，煤柱宽度与其侧向支撑压力的分布和巷道围岩变形情况密切相关，并非煤柱的宽度越宽，对保护巷道的支护效果就越好。因此有必要对预设煤柱的宽度进行研究分析。

1 概况

西曲矿位于古交市汾河北岸，井田面积40.7km2，井田地质构造简单，主要含煤层为石炭系太原组和二迭系山西组，共含14层煤，全区可采煤层厚度为13.65m，可采储量3.43亿t，煤层赋存平缓，倾角5˚～8˚。西曲矿水文地质条件中等，可采煤层5层，分别为：2#、4#、7#、8#、9#煤。

2 区段煤柱合理宽度的理论计算

根据对综采工作面现场实测结果分析，煤体侧向支撑压力出现峰值处到巷帮最远为6m，可知煤柱回采侧塑性变形区宽度x0=6m；煤柱高度M=5.3m，得到煤柱弹性核宽度2M=10.6mm；可以对煤柱工作面巷道侧塑性变形区宽度x1进行计算。根据极限平衡理论，计算远离工作面侧塑性区宽度为：

式中：

M-煤柱高度，取值5.3m；

λ-侧压系数；

μ-泊松比，取值0.28；

φ-煤体内摩擦角，取值38°；

K-应力集中系数，取值2.6（根据两侧应力峰值和煤柱原岩应力计算）；

ρ-上覆岩层的平均容比，取值2.4t/m³；

H-巷道埋深，取值135m；

C0-煤体内聚力，取值2.12MPa。

将上述参数值代入（1）、（2）式中可计算得：

将x0、x1、M值代入下式可以得出区段煤柱宽度：

综上计算可知，1#综采工作面煤层区段煤柱宽度不应小于24m。

3 支护效果数值模拟

通过采用数值计算软件FLAC3D，在综合考虑模型边界效应的影响以及工作面围岩特性的基础上，对煤岩层采用矩形网格创建数值模型，采用“摩尔-库仑”力学模型进行数值模拟。设置采高为5.3m，埋深为136m；模型大小规格为260×25×80m。由于煤层倾角较小，不考虑倾角对模型的影响。计算过程中对模型下表面分别施加水平应力和垂直应力，两侧面施加水平应力，并对位移进行固定。考虑到覆岩层重力的影响，在模型上表面施加垂直应力，具体计算模型如图1所示。

图1 FLAC3D计算模型图

3.1 计算参数的确定

通过煤岩力学试验以及参照相关的地质测量资料，得到岩体煤层具体物理参数如下表所示。

表1 数值模拟计算参数表

3.2 数值模拟方案

在煤岩性质等基本条件不变的前提下，分别以20m和30m两种尺寸进行数值模拟。在工作面开挖前设置30m的边界煤柱，不同区段煤柱两侧分别开设有长20m×宽6m×高5m的巷道，巷道顶板支撑力为0.7MPa，巷道各面均采用锚网索支护。

3.3 模拟结果分析

图2 煤柱塑性区分布图

图2所示为不同宽度煤柱对应的塑性区分布图，煤柱的一侧为支护完好的巷道，另一侧为采空区。从图中可以看出，煤柱宽度为20m时，形成了弹性核区，其宽度为7m。根据巷道采动过程中煤柱保持稳定的基本条件是中间弹性核的宽度要大于采高（5.3m）的两倍，可知在煤柱宽度为20m时，巷道采动过程中会形成较大的煤柱塑性区，且变形较大，不利于巷道支护，容易出现失稳现象。

当煤柱宽度为25m时，其形成的弹性核区宽度达11m，满足煤柱保持稳定的基本条件，煤柱的稳定性较好。继续增大煤柱宽度至30m时，弹性核区宽度为17m，表明煤柱处于稳定状态，且随着煤柱宽度的增大，其形成的弹性核区不断增大。

通过上述理论计算和数值模拟分析可知，在不影响煤矿安全开采的前提下，选择留设25m宽度煤柱，可以提高煤炭的采出率。

4 矿压观测

根据理论计算，工作面煤柱宽度按照25m进行设置。为了对计算结果进行验证，对工作面区段煤柱侧向表面位移的变化进了观察分析。图3、图4所示为回采过程中，工作面回风巷帮移近量和移近速度的变化曲线图。

图3 煤柱侧帮移近量变化曲线

图4 煤柱侧帮移近速度变化曲线

从图3和图4可以看出，整体而言移近量和移近速度随着距工作面煤壁距离的增加而减小，但是当距离大于40m以后，煤柱侧帮移近量增长变缓，每日的平均移近速度约为6mm/d；距工作面煤壁距离小于20m后，煤柱侧帮移近量开始显著增加，每日的变形量约为65mm；当距离小于10m后，由于附近煤体呈现塑性分布状态，煤柱侧帮移近量出现急剧上升，但是整体变形在170mm范围内，符合正常开采的要求。因此工作面留设25m宽度的煤柱可以满足煤矿正常开采需要。

5 结论

根据煤柱保持稳定的基本条件，对工作面区段煤柱合理宽度进行理论计算，得出煤柱宽度不应小于24m。应用数值计算软件FLAC3D对其计算结果进行模拟计算，结果表明在不影响煤矿安全开采的前提下，选择25m宽度的区段煤柱，可以提高煤炭的采出率，保证安全生产。