构造复杂煤层工作面煤柱宽度留设研究

白云杰，齐春涛

（山东里能鲁西矿业有限公司，山东 济宁 272000）

0 引 言

处于稳定状态的岩层得到一个方向的空间释放后，需要通过外力来控制以达到岩层的稳定。采煤工作面的围岩控制是保证煤炭安全采出的关键[1-4]。相邻工作面之间的煤柱是保护巷道稳定的重要影响因素，而煤柱的宽度又是煤柱发挥作用的关键。对于构造复杂煤层，煤柱宽度的留设不同于普通煤层。由于构造复杂煤层顶板岩层多变，对煤柱的作用不均匀，不同位置的岩层对煤柱的破坏影响不同。因此，研究构造复杂煤层的煤柱宽度对巷道稳定性的影响至关重要。本文以鲁西煤矿3上118综采工作面和3上116综采工作面之间的煤柱为研究对象，通过数值模拟分析了不同煤柱宽度下3上118运输巷道和煤柱的受力和变形特征，以选出最佳的煤柱宽度。

1 工程概况

鲁西煤矿位于主要含煤地层为山西组和太原组，总厚度约为253.60m。3上煤层位于山西组中上部，埋深120～328m。3上煤层厚度为1.80-3.15m，煤层倾角20～100，煤内部裂隙较发育。煤层的直接顶为粉砂岩，厚度为0.2-2.5m，平均2.3m，颜色为深灰色，下部灰黑色，巨厚层状，泥质结构；煤层基本顶为细砂岩，厚度为4.6～9.5m，平均为6.5m，颜色为灰色，薄层状，细砂状结构，参差状断口，波状层理发育；直接底为粉砂质泥岩，厚度为0.1～1.1m，平均0.5m，颜色为深灰色，上部厚层状，下部薄层状，平坦状断口；基本底为粉砂岩，厚度为0.6～6.1m，平均为4.2m，颜色为浅灰-灰白色，薄层状，细粒砂状结构，夹煤线及泥纹，显示水平层理，局部夹泥质包体。3上116工作面与3上118工作面为相邻工作面，3上116工作面与3上118工作面之间需要留设保护煤柱。

3上煤层受煤层沉积影响，煤层倾角、厚度变化较大，即为构造复杂煤层。对于构造复杂煤层，煤柱宽度的留设不同于普通煤层。为保护相邻巷道围岩稳定的基础上，提高煤炭开采率，需要详细研究煤柱宽度对巷道围岩稳定的影响规律。

2 煤柱宽度数值模拟

根据鲁西煤矿的顶底板岩层和煤层分布，运用FLAC3D数值模拟软件建立数值模型，模型尺寸为300 m×100 m×62 m。对计算模型采用等分的方式划分单元，共划分出148500个长方体单元和165031个网格点。

根据现有的研究和参考相邻矿井的煤柱留设参数，设计煤柱宽度为 2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m，分析3上118工作面运输巷道的垂直位移、水平位移和煤柱垂直应力情况。

2.1 巷道围岩变形

不同煤柱宽度下3上118运输巷道垂直位移如图1，不同煤柱宽度下3上118运输巷道水平位移如图1所示。

图1 不同煤柱宽度下3上118运输巷道垂直位移

图2 不同煤柱宽度下3上118运输巷道水平位移

由图1可知，随着煤柱宽度的增加，3上118运输巷道垂直位移逐渐降低，当煤柱宽度为2m时巷道垂直位移为268mm，这明显超过巷道允许变形范围。3上118运输巷道垂直位移随煤柱宽度增加而降低的速率是不同的，呈现逐渐降低的趋势。当煤柱宽度为6m时，曲线出现了明显的转折点，此时垂直位移为68mm，在允许巷道变形范围内。当煤柱宽度大于6m时，随着煤柱宽度增加，3上118运输巷道垂直位移的变化不再明显。所以，从巷道垂直位移的角度考虑，煤柱最佳宽度为6m。

由图2可知，随着煤柱宽度的增加，3上118运输巷道水平位移逐渐降低，当煤柱宽度为2m时巷道水平位移为256mm，这明显超过巷道允许变形范围。3上118运输巷道水平位移随煤柱宽度增加而降低的速率是不同的，呈现逐渐降低的趋势。当煤柱宽度为6m时，曲线出现了明显的转折点，此时垂直位移为50mm，在允许巷道变形范围内。当煤柱宽度大于6m时，随着煤柱宽度增加，3上118运输巷道水平位移的变化不再明显。所以，从巷道水平位移的角度考虑，煤柱最佳宽度为6m。

2.2 煤柱受力

不同煤柱宽度下3上118运输巷道与3上116回风巷道之间的煤柱垂直受力如图3所示。

由图3可知，随着煤柱宽度的增加，煤柱垂直受力逐渐降低，当煤柱宽度为2m时煤柱垂直受力为15MPa，这基本超过煤体的抗压强度，说明煤柱进入塑性阶段。煤柱垂直应力随煤柱宽度增加而降低的速率是不同的，呈现逐渐降低的趋势。当煤柱宽度为5～6m时，曲线变化趋势改变的相对较明显，此时煤柱垂直应力约为6～7.5MPa，未超过煤体的强度。当煤柱宽度大于7m时，随着煤柱宽度增加，煤柱垂直应力的变化不再明显。所以，从煤柱垂直应力的角度考虑，煤柱最佳宽度为5～6m。

图3 不同煤柱宽度下煤柱垂直受力

综合煤柱垂直应力、不同煤柱宽度下3上118运输巷道垂直位移和水平位移，确定3上118运输巷道与3上116回风巷道之间的煤柱最佳宽度为6m。

3 结 论

构造复杂煤层煤柱宽度的留设不同于普通煤层。通过数值模拟研究了不同煤柱宽度下3上118运输巷道垂直位移和水平位移、以及不同煤柱宽度下煤柱垂直受力。

从巷道垂直位移的角度考虑，煤柱最佳宽度为6m；从巷道水平位移的角度考虑，煤柱最佳宽度为6m。综合煤柱垂直应力、不同煤柱宽度下3上118运输巷道垂直位移和水平位移，3上118运输巷道与3上116回风巷道之间的煤柱最佳宽度为6m。