西曲矿浅埋硬顶大采高工作面煤柱宽度优化研究

柴银亮

（西山煤电集团有限责任公司西曲矿， 山西 古交 030203）

我国长壁开采为保护工作面回采巷道的安全与稳定，通常在工作面与工作面之间留有一定宽度的保护煤柱。工作面采用综放开采时，工作面外的煤炭损失占采区总损失的61%，而仅区段煤柱的损失量就占到36.7%，而且随区段煤柱宽度的增大而增加[1]。

1 煤柱留设现状

目前，我国煤矿对于区段间煤柱留设主要有以下几种：

1）留设大煤柱[2]，煤柱宽度大于30 m，目的使两个区段间的煤柱中存在弹性应力核保证上下区段的采动互不影响，但是该种方式大大浪费煤炭资源。

2）留设小煤柱[3]，煤柱宽度10～30 m，受地质条件影响，此时在煤柱中易形成叠加应力区，造成煤柱破坏，同时煤炭损失也较大。

3）无煤柱开采[4]，即沿空掘巷和沿空留巷方式，目前该开采技术在国内矿井使用较多，大幅度提高了采区回采率，符合“绿色采矿”宗旨。

为研究合理为留设煤柱尺寸，本文通过FLAC3D数值模拟软件，以西山煤电集团西曲矿为原型，建立模型来模拟计算不同尺寸煤柱的应力、位移情况，来选取合理的煤柱尺寸。

2 数值模拟

2.1 工程概况

山西西山煤电股份有限公司西曲矿（全文简称西曲矿）位于太原市古交区，18503 工作面主采8 号煤，煤层顶部普遍含有一层厚度为0.2 m 的炭质泥岩伪顶，直接顶为厚度2.4 m 的石灰岩。顶板总体属硬质岩，稳定性好。直接底为厚度1.5 m 的细砂岩，老底为厚度3.1 m 粉砂岩。工作面顶底板综合柱状图如图1 所示。工作面巷道支护示意图见图2。

图1 工作面顶底板综合柱状图

图2 巷道支护示意图（mm）

2.2 模型建立

工作面巷道尺寸为5 m×3.5 m（跨度×高度），为尽量减少边界条件对计算结果的影响，长度设计为100 m，宽度为16 m，高度为25 m。右侧定为采空区，左侧即为18503 工作面沿空掘巷煤柱留设。避免巷道开掘的影响，模型在左右边界水平方向限制移动，上边界无限制而下边界在垂直方向限制移动。选择摩尔-库伦理论计算模型, 数值模型如图3 所示。

图3 模型图

2.3 模型主要参数

根据西曲矿地层综合柱状图以及相关岩层岩样的物理性质，通过合并部分厚度窄小岩层，简化模型顶板为石灰岩、中砂岩、细砂岩，底板为细砂岩、粉砂岩、中砂岩，模拟物理性质参数见表1。

表1 岩石力学参数表

2.4 模拟方案设计

参考矿井煤柱经验尺寸，通过对比不同尺寸的煤柱、巷道的应力、位移和破坏状况，通过模拟计算，模拟对比宽度为5 m、7 m、9 m 三种尺寸的窄煤柱工况。

图4 不同煤柱宽度塑性区分布规律

2.5 计算结果与分析

图4 为不同煤柱宽度塑性区分布图，通过对比可知：

1）煤柱宽度为5 m 时（图5-1，5-2），弹性区范围达到1.5 m，工作面巷道两帮移近量大且变形严重，故煤柱宽度为5 m 时不能维持巷道稳定。因此，需要继续增加煤柱留设宽度。

2）煤柱宽度为7 m 时（图5-3，5-4），弹性区达到5 m，巷道塑性拉伸破坏单元较少，说明煤柱宽度按7 m 留设合理。

3）煤柱宽度为9 m 时（图5-5，5-6），弹性区达到7 m，此时工作面巷道两帮相对移近量较小，说明煤柱宽度按9 m 留设合理。

图5 为不同煤柱宽度位移分布图，通过对比可知：

图5 不同煤柱宽度位移分布规律

1）煤柱宽度为5 m 时的巷道最大水平位移最大达到了3.3 m，巷道垂直位移最大量为1.0 m（图6-1，6-2），已经影响到了该巷道的正常使用，模拟结果表明煤柱宽度为5 m 时不能维持巷道稳定。因此，需要继续增加煤柱留设宽度。

2）煤柱宽度为7m 时的巷道最大水平位移为0.67 m，巷道垂直位移最大量为1.0 m（图6-3，6-4），说明支护效果较好、煤柱宽度留设合适.

3）煤柱宽度为9 m 时（图6-5，6-6），巷道最大水平位移为0.67 m，巷道垂直位移最大量为1.0 m，位移量较小。

图6 为不同煤柱宽度应力分布图，通过对比可知：

图6 不同煤柱宽度应力分布规律

1）煤柱宽度为5m 时的巷道最大水平应力为13.8 MPa，垂直应力最大量为7.4 MPa。

2）煤柱宽度为7 m 时的巷道最大水平应力为15.0 MPa，垂直应力最大量为12.8 MPa。

3）煤柱宽度为9m 时，最大水平应力为14.0 MPa，垂直应力最大量为12.6 MPa。

通过以上数值模拟计算结果分析，煤柱宽度为5 m 时巷道无法满足正常安全使用，煤柱留设7 m、9 m 时，巷道变形量较小可以正常使用，考虑到经济因素，根据模拟结果最终选定煤柱最优宽度为7 m。

3 结语

根据西曲矿18503 工作面的地质概况和以往支护方案，针对工作面煤柱尺寸优化问题，建立了数值模拟模型和模拟方案，对煤柱进行三种宽度为5 m、7 m、9 m 的对比模型。通过对煤柱进行三种不同宽度的对比情况下的围岩应力和应变进行模拟。综合考虑工作面安全与经济方面，模拟结果表明当煤柱留设最佳尺寸为7 m。