軟煤層大采高工作面順槽煤柱尺寸留設(shè)的研究

姚少武

（山西威德睦方煤礦設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西 太原 030021）

軟煤層大采高工作面順槽煤柱尺寸留設(shè)的研究

姚少武

（山西威德睦方煤礦設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西 太原 030021）

在分析經(jīng)驗(yàn)法、現(xiàn)場實(shí)測法、理論計(jì)算法和數(shù)值模擬確定煤柱尺寸優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了利用理論計(jì)算、現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法來確定軟煤層大采高工作面回采巷道的煤柱尺寸，并根據(jù)晉煤集團(tuán)趙莊礦3305軟煤層大采高工作面生產(chǎn)實(shí)際，依照理論計(jì)算法求出煤柱留設(shè)尺寸，然后對巷道開挖前后不同煤柱尺寸下的圍巖應(yīng)力、變形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。最后，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)得出了巷道圍巖變形、煤柱受力與煤柱尺寸之間的關(guān)系，確定了該工作面煤柱留設(shè)的合理尺寸。實(shí)踐證明，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場實(shí)測是確定軟煤層大采高工作面煤柱尺寸的一種合理有效的方法。

煤柱尺寸；理論計(jì)算；數(shù)值模擬；實(shí)測

煤柱是回采巷道圍巖的重要組成部分，其穩(wěn)定性與巷道圍巖控制、巷道維護(hù)成本及安全生產(chǎn)密切相關(guān)。煤柱穩(wěn)定性是保證巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，對于軟煤層大采高工作面而言，合理確定煤柱留設(shè)尺寸尤為重要。一般而言，煤柱尺寸越大對回采巷道穩(wěn)定性維護(hù)越有利，但這也相對降低了煤炭回收率，如何兼顧資源回收與巷道穩(wěn)定是確定合理煤柱尺寸留設(shè)的重要問題。為確保巷道穩(wěn)定及資源回收，以趙莊礦3305軟煤層大采高工作面為例，進(jìn)行了軟煤層大采高回采巷道煤柱尺寸確定的研究，3305工作面順槽煤柱留設(shè)方式如圖1所示。

圖1 3305工作面順槽煤柱留設(shè)方式示意圖

1 工作面概況

3305工作面開采二疊系下統(tǒng)山西3號煤，工作面地面平均標(biāo)高1012m，煤層平均埋深500m。煤層以亮煤為主，夾帶狀鏡煤，整體表現(xiàn)疏松、質(zhì)軟，其力學(xué)特征從下至上為：松軟—較硬—松軟。工作面傾向219.7m，走向1757.9m，煤層厚度3.5m～6.2m，均厚5.5m，煤層傾角1°～15°，平均傾角為8°，煤層賦存穩(wěn)定。該工作面距開切眼952m處有一陷落柱，東西向長96m，南北向長47m。揭露28個(gè)正斷層，煤層節(jié)理總體較為發(fā)育，主要兩個(gè)方向，走向分別為45°～60°，135°～150°，以45°～60°方向節(jié)理密度大，節(jié)理面平直，裂隙緊密無充填，其它方向節(jié)理延伸短，節(jié)理面不夠平直，發(fā)育密度及規(guī)范性不強(qiáng)[2]。根據(jù)現(xiàn)場打鉆取芯和實(shí)驗(yàn)室煤巖體物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，對3305工作面圍巖物理力學(xué)參數(shù)分析評價(jià)如表1所示。

表1 3305工作面圍巖物理力學(xué)參數(shù)分析

2 煤柱尺寸的理論計(jì)算

2.1 常規(guī)理論計(jì)算

煤柱上的載荷是由煤柱上覆巖層重力和一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)懸露巖層重力轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重力所引起的，由常規(guī)理論計(jì)算公式[3]可導(dǎo)出：式中：σc為煤塊單軸抗壓強(qiáng)度，M P a；h為煤柱高度，m；B為煤柱尺寸，m；δ為采空區(qū)覆巖垮落角，°；γ為覆巖容重，k N/m3。

該礦3305工作面平均埋深500m，采空區(qū)寬度L約為220m，采空區(qū)上覆巖層垮落角取30°，煤層平均高度為5.5m，上覆巖層平均容重γ取為25k N/m3，該面的煤體單軸抗壓強(qiáng)度σc取為32.2M P a。

將上述參數(shù)帶入式1，得B≥64.4m。依照圖1所示順槽掘進(jìn)方式，單個(gè)煤柱尺寸為b，由于B=2b，因此，煤柱的留設(shè)尺寸不應(yīng)小于32.2m?？紤]3305軟煤層大采高工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，安全系數(shù)f取為1.2，則實(shí)際工作狀態(tài)下煤柱的留設(shè)尺寸考慮為38.5m。

2.2 塑性理論計(jì)算

合理的煤柱尺寸必須能夠保證煤柱的穩(wěn)定性，而煤柱的穩(wěn)定性與煤柱的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)。煤柱中應(yīng)力分布可分為彈性區(qū)和塑性區(qū)，因此可以通過各個(gè)分區(qū)的寬度來確定煤柱的合理寬度。合理煤柱尺寸B可以由式(2)計(jì)算得出[4]。B=xo+R+L. （2）

式中：xo為靠采空區(qū)一側(cè)塑性區(qū)寬度，m；R為靠巷道一側(cè)塑性區(qū)寬度，m；L為彈性區(qū)寬度，m。

3 煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

依據(jù)理論計(jì)算，該軟煤層大采高工作面開采合理煤柱尺寸應(yīng)不小于38.3m，運(yùn)用FL A C 3D軟件分別按照煤柱尺寸為30m、35m、40m、45m、50m建立模擬模型，考察不同尺寸的煤柱的水平應(yīng)力分布、垂直應(yīng)力分布及順槽圍巖位移量，并評價(jià)其穩(wěn)定性，據(jù)此評價(jià)結(jié)果確定煤柱的合理留設(shè)尺寸。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 不同尺寸煤柱垂直應(yīng)力分布

在3305工作面挖掘巷道，采區(qū)煤層應(yīng)力會重新分布，在煤柱內(nèi)形成側(cè)向支承應(yīng)力。圖2為煤體上方支承應(yīng)力分布曲線，其中水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力均取自假定留設(shè)煤柱尺寸為30m～50m范圍時(shí)回采巷道頂板中部的煤柱側(cè)幫中部的水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力值。

2-a 30m寬煤柱垂直應(yīng)力分布 2-B35m寬煤柱垂直應(yīng)力分布

圖2 不同尺寸煤柱垂直應(yīng)力分布

由模擬結(jié)果可知，煤柱尺寸在30m～50m范圍內(nèi)，水平應(yīng)力遠(yuǎn)小于垂直主應(yīng)力。煤柱寬度為30m時(shí)，巷道左側(cè)煤柱中的最大垂直應(yīng)力為35M P a，煤柱尺寸增加到35m時(shí)，垂直應(yīng)力降低為31M P a，但應(yīng)力集中區(qū)范圍增大。煤柱尺寸增加到40m后，垂直應(yīng)力和應(yīng)力集中區(qū)范圍不斷減小，但其減小速率漸趨平緩。

3.2.2 不同煤柱寬度時(shí)煤柱塑性區(qū)分布規(guī)律

不同尺寸煤柱支承應(yīng)力分布如圖3所示。從數(shù)值模擬圖中可以看出：煤柱尺寸為30m和35m時(shí)，整個(gè)煤柱底板處于剪切破壞狀態(tài)，這時(shí)煤柱處于不穩(wěn)定狀態(tài)；煤柱尺寸從40m增加到50m時(shí)，部分煤柱底板處于剪切破壞狀態(tài)，這時(shí)煤柱基本穩(wěn)定，塑性區(qū)靠采空區(qū)側(cè)范圍較大。煤柱寬度大于40m后，隨煤柱尺寸增加，靠采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)范圍變化較小。煤柱寬度從30m增大到50m過程中，巷道附近塑性區(qū)逐漸減小，煤柱尺寸超過40m后，塑性區(qū)范圍減小尤為明顯。

3-a 30m寬煤柱塑性區(qū)分布 3-B35m寬煤柱塑性區(qū)分布

圖3 不同尺寸煤柱支承應(yīng)力分布

3.2.3 不同尺寸煤柱時(shí)巷道圍巖位移分布規(guī)律

煤柱尺寸分別為30m、35m、40m、45m、50m時(shí)，巷道圍巖位移分布如圖4所示。從圖中可以看出，圍巖位移隨煤柱尺寸的增加而減小，煤柱尺寸從30m增加到40m時(shí)，位移變化較快，而后變化較緩，說明煤柱在30m～40m范圍內(nèi)，煤柱尺寸的增加對煤柱及巷道圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)作用較為明顯，超過40m后，增加煤柱尺寸對煤柱及圍巖穩(wěn)定性增強(qiáng)作用不明顯，故煤柱尺寸應(yīng)確定為40m左右為宜。

圖4 不同煤柱尺寸巷道圍巖位移變化曲線

4 現(xiàn)場實(shí)測

4.1 測站布置

為了解軟煤層大采高煤柱實(shí)際受力情況，需要對3305工作面超前和滯后巷道的煤柱進(jìn)行應(yīng)力觀測。在工作面順槽共布置15枚鉆孔應(yīng)力計(jì)進(jìn)行煤柱應(yīng)力觀測。

圖5 最大應(yīng)力狀態(tài)時(shí)煤柱剖面應(yīng)力分布

4.2 結(jié)果分析

由煤柱剖面應(yīng)力分布曲線（圖5所示）可知，沿工作面傾向，煤柱應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距煤壁12.8m左右，在距采面6.5m處煤柱出現(xiàn)最大應(yīng)力狀態(tài)，兩峰值間的煤柱應(yīng)力曲線漸進(jìn)于水平，據(jù)此推斷，煤柱尺寸在37m左右處于穩(wěn)定狀態(tài)。若煤柱尺寸小于30m處于極不穩(wěn)定狀態(tài)，尺寸在30m～35m處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，據(jù)此推斷煤柱合理留設(shè)尺寸應(yīng)不小于37m。

5 結(jié)語

（1）在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測分析，確定了3305軟煤層大采高工作面煤柱合理留設(shè)尺寸應(yīng)為39m～41m。

（2）在確定軟煤層大采高巷道煤柱留設(shè)尺寸時(shí)，還應(yīng)綜合考慮煤層強(qiáng)度、地應(yīng)力大小和直接頂厚度等因素。對于煤層破碎、強(qiáng)度小，地應(yīng)力大，直接頂較薄的工作面煤柱尺寸應(yīng)相應(yīng)增加，同時(shí)還應(yīng)考慮到回采過程中的采動影響系數(shù)，以確定理論上煤柱的最大尺寸。

[1]奚家米，毛久海，楊更社，等.回采巷道合理煤柱寬度確定方法研究與應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，4(25):400-403.

[2]朱 濤，郝慶利，宋敏，等.軟煤層大采高長壁工作面礦壓觀測及顯現(xiàn)規(guī)律[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41(2):205-208.

[3]陶占元.回采巷道護(hù)巷煤柱合理寬度的研究[J].中州煤炭，2008(5):20-22.

[4]劉進(jìn)權(quán).回采巷道護(hù)巷煤柱合理寬度的探討[J].山西煤炭，2009，29(1):22-34.

Research on Crossheading Pillar Retained Size on Large-mining-heighTWorking Faces in SofTSeams

YAO Shao-wu

(Weide Kuifang Mine Design and Consulting Co., Taiyuan Shanxi 030021)

On the analysis of strengths and weaknesses of coal pillar size measurement though some methods as experience method, field measurement method, theoretical calculation and numerical simulation,the pillar size of large-mining-height working face among soft seams were determined. According to the real situation of No.3305 soft seam of Zhaozhuang Mine and the theoretical calculation, the pillar retained sizes were also determined, and then the surrounding rock stress and deformation were studied through numerical simulation. At last, the relationship were concluded by the field data between surrounding deformation, pillar load and pillar size. The rational pillar retained size was determined. The practice proved the approach to be reasonable and effective.

pillar size; theoretical calculation; numerical simulation; field measurement

TD 822+.3

A

1672-5050（2011）10-0036-04

2011-06-22

姚少武（1983—）男，山西太原人，大專，助理工程師，從事煤礦設(shè)計(jì)及咨詢工作。

劉新光