综采工作面区段窄煤柱尺寸研究

张冬冬

(山西兰花集团莒山煤矿有限公司，晋城0480027)

0 引言

区段煤柱是维护工作面回采巷道围岩稳定的重要隔离体，对工作面安全开采具有重要意义[1-3]。莒山矿开采3 号煤属于优质焦煤，以往的工作面开采过程中区段煤柱留设尺寸较大，造成了煤炭资源的大量损失，随着3 号煤层资源储量越来越少，为延长矿井服务年限，提高煤炭资源的采出率，急需对区段煤柱尺寸进行优化研究。本文以莒山矿f3202综采工作面回风顺槽为工程背景，对区段煤柱进行了研究。

1 工作面概况

f3203工作面所采的3号煤层位于山西组下部，煤层厚5.5 m～8.15 m，平均厚6.18 m，煤层平均埋深136 m，煤层结构简单，含0～2 层矸石。该煤层稳定可采，煤层顶板以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩为主，局部发育薄层泥岩伪顶；底板岩性为泥岩、砂质泥岩。工作面设计长度150 m，推进长度1 200 m，采用综放工艺回采，其中采2.2 m，放4 m，端头不放煤。

f3203回风顺槽沿底板沿空掘进，巷道设计为矩形断面，巷道东侧为区段煤柱，西侧为f3203 工作面，规格为3 000 mm×3 000 mm，考虑支护厚度，回风顺槽掘进断面设计尺寸为3 200 mm×3 100 mm。巷道采用锚杆及锚索联合支护，顶板锚杆采用高性能螺纹钢锚杆，规格为φ 20 mm×2 000 mm，顶锚杆和帮锚杆间排距均为800 mm×800 mm；锚索直径为φ 15.24 mm，锚索长度为8 300 mm，锚索采用2-0-1-0方式布置，间排距为1 600 mm×1 600 mm。

2 区段煤柱尺寸理论研究

f3201 工作面回采过程中煤层上覆岩层会发生破断运移，工作面回采结束后采空区侧向上覆岩层破断运移会逐渐趋于稳定，在采空区侧向区域内会出现破碎区、塑性强化区、弹性应力增高区和原岩应力区[4-6]，根据极限平衡理论，采空区侧向塑性区与弹性区域的交汇处处于极限平衡状态，并满足如下应力平衡方程：

通过计算，可得出采空区塑性区域宽度公式为：

式中：m 为煤层采高，取割煤高度2.2 m；K 为应力集中系数，取2；λ为覆岩侧压系数，λ=μ/(1-μ)，μ取0.23；γ为上覆岩层容重，取25 kN/m3；H 为巷道埋藏深度，取136 m；C 为煤层弹塑性交汇处内聚力，取1.06 MPa；φ0为弹塑性交汇处内摩擦角，取27°；px为锚杆对巷道的侧向压力，取0.15 MPa。

将各参数代入式2中可得L0=2.73 m。

一次采动影响后，区段煤柱由塑性区和锚杆支护区组层，根据理论分析，采空区侧向塑性区域宽度为2.73 m，f3203 回风顺槽锚杆有效支护长度为2.0 m，则巷道东侧区段煤柱最小极限宽度为5.73 m。

3 数值模拟研究

结合实际开采地质条件，采用FLAC3d 数值模拟软件建立数值计算模型，模型尺寸为长(X)×宽(Y)×高(Z)=300 m×300 m×60 m，剩余上覆岩层采用均布载荷代替，模型底部限制垂直位移，两侧限制水平位移。模型采用摩尔-库伦准则，大应变变形模式，模型主要物理力学参数见表1。结合理论分析本次模拟分别分析区段煤柱宽度4 m、6 m、8 m、10 m时应力变形情况。

表1 岩层物理力学参数表

图1为数值模拟分析不同宽度条件下煤柱垂直应力分布规律，由图可知，当煤柱宽度为4 m～6 m时煤柱所受垂直应力为4 MPa～6 MPa，巷道另一侧实体煤帮所受应力相对较大，高达22 MPa～24 MPa；当煤柱宽度为8 m 时煤柱中部所受应力有所增大，最大应力10 MPa～12 MPa，实体煤帮应力为22 MPa；宽度为10 m时煤柱所受应力突然大幅度增大，最大应力高达24 MPa，煤柱结构稳定性大幅度降低，不利于巷道维护。

图1 不同宽度煤柱所受垂直应力

由图2 可知，随着煤柱宽度的增大巷道变形逐渐减小。当煤柱宽度为4 m 时巷道顶板最大变形量为285 mm，煤柱帮变形量为212 mm，实体煤帮变形量为170 mm，底板变形量为141 mm；随着煤柱宽度的增大巷道变形量大幅度减小，当煤柱宽度为8 m 时巷道顶板下沉量为180 mm，煤柱帮变形量为153 mm，实体煤帮变形量为122 mm，巷道底板变形量为75 mm。随着煤柱宽度的进一步增大巷道围岩变形量基本稳定。

图2 沿空巷道围岩变形曲线

4 区段煤柱尺寸确定

根据理论分析，区段煤柱最小宽度为5.73 m；根据数值模拟，当煤柱宽度为8 m 及以内时煤柱所受应力相对较小，高应力主要集中于实体煤帮，当煤柱宽度大于为10 m时煤柱所受应力大幅度增大，煤柱结构稳定性减弱，不利于后期采动期间的巷道维护，因此区段煤柱宽度应在10 m 以内；当煤柱宽度为8 m 及以上时巷道围岩变形量逐渐趋于稳定，且围岩变形量相对较小，因此煤柱不宜小于8 m。结合理论分析及数值模拟结果综合考虑，区段煤柱尺寸为8 m。

5 结语

本文结合莒山矿f3203 工作面实际开采地质条件，对工作面区段煤柱进行了系统的研究，通过理论分析确定区段煤柱宽度为5.73 m，在此基础上通过数值模拟研究分析了不同尺寸条件下煤柱应力分布规律和巷道围岩变形规律，结合数值模拟研究结果最终确定区段煤柱宽度为8 m。