厚煤層條件下合理寬度煤柱留設(shè)研究

武炳瑞

（山西潞安工程有限公司礦建分公司，山西省長(zhǎng)治市，046000）

厚煤層在我國(guó)有著豐富的儲(chǔ)量，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)厚煤層產(chǎn)量占40%50%。隨著煤炭資源的日益緊張，開(kāi)展對(duì)護(hù)巷煤柱合理寬度留設(shè)的研究，尤其對(duì)于 （特）厚煤層條件下煤柱留設(shè)寬度的合理優(yōu)化，對(duì)于提高礦井煤炭資源采出率以及利用情況有著重要的經(jīng)濟(jì)與現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)概況

躍進(jìn)煤礦1210工作面位于井田南翼采區(qū)下山北側(cè)，為VI煤第三個(gè)工作面，緊鄰1208 采空區(qū)順序接替開(kāi)采。VI煤層厚度8.710.8 m，平均厚度9.3m。煤層發(fā)育穩(wěn)定，煤層平均傾角7°。煤層老頂為中、細(xì)砂巖，厚度8.819.7 m；直接頂為粉砂巖或泥巖，厚度0.876.38 m；直接底為粉砂巖，厚度1.563.14 m；老底為中、細(xì)砂巖，厚度9.421.5 m。工作面區(qū)域內(nèi)煤層底板標(biāo)高-476.6-516.7 m，地面標(biāo)高+44.2-+45.3m。

2 工作面煤柱留設(shè)研究

2.1 模擬方案設(shè)計(jì)

為了研究1208采空區(qū)與1210回采工作面之間合理的煤柱留設(shè)寬度，運(yùn)用FLAC2D 數(shù)值模擬軟件對(duì)煤柱寬度為5 m、9 m、15 m、20 m、25 m、30m 的情況進(jìn)行了模擬研究。根據(jù)1210回采工作面的地質(zhì)條件，以該采區(qū)地質(zhì)柱狀圖為依據(jù)，對(duì)保護(hù)巷煤柱不同寬度條件下煤柱受力進(jìn)行了模擬分析。

模型大小為300m×150m （長(zhǎng)×高），模型上表面施加9.8 MPa的垂直載荷以模擬巖層的自重，底部邊界固定，側(cè)面均水平方向約束，取側(cè)應(yīng)力系數(shù)1.2。本次模擬可以研究工作面鄰近采空區(qū)一側(cè)不同煤柱寬度對(duì)巷道及工作面實(shí)體煤周?chē)鷳?yīng)力分布的影響規(guī)律。所取巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，模擬模型簡(jiǎn)化示意圖見(jiàn)圖1。

表1 煤層及其頂?shù)装鍘r層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖1 煤柱模擬示意圖

2.2 煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分析

模擬了工作面鄰近采空區(qū)一側(cè)不同煤柱寬度條件對(duì)巷道及工作面實(shí)體煤周?chē)鷳?yīng)力分布的影響情況，運(yùn)用FLAC2D 對(duì)不同煤柱留設(shè)寬度下的垂直應(yīng)力云圖模擬結(jié)果見(jiàn)圖2，監(jiān)測(cè)到的煤柱內(nèi)部的垂直應(yīng)力變化數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

由圖2、圖3 數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，隨著護(hù)巷煤柱寬度的增大，煤柱中的最大垂直應(yīng)力由小變大，然后再變小，因而隨煤柱寬度的增加，煤柱承載能力逐漸提高，工作面巷幫實(shí)體煤內(nèi)的應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸向煤柱轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。當(dāng)煤柱寬度達(dá)到一定值時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力達(dá)到峰值，這時(shí)煤柱承受著較大的上覆巖載荷，并容易形成彈性能，引發(fā)巷道沖擊破壞災(zāi)害；當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步增大后 （如30m），煤柱內(nèi)的應(yīng)力又呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，此時(shí)煤柱自身已經(jīng)能夠承擔(dān)起上覆巖層的應(yīng)力，煤柱起主要承載作用?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤柱寬度過(guò)小時(shí)，留設(shè)的小煤柱基本被壓酥，煤柱內(nèi)載荷較小，上覆巖層應(yīng)力主要由實(shí)體煤側(cè)承擔(dān)；而當(dāng)煤柱寬度較大時(shí)，上覆巖層應(yīng)力逐漸向煤柱上部分布，此時(shí)煤柱中部起主要承擔(dān)壓力的作用。

圖4 不同寬度煤柱內(nèi)位移變化曲線(xiàn)

2.3 煤柱內(nèi)垂直位移分析

圖4 為煤柱寬度為5 m、9 m、15 m、20 m、25m、30m 的條件下，不同煤柱寬度時(shí)煤柱內(nèi)位移變化數(shù)據(jù)。

從圖4結(jié)果可以看出煤柱中位移隨著寬度的減少而逐漸增大，當(dāng)區(qū)段煤柱寬度小于10m 時(shí)，由于煤柱垂直位移變化量極劇增加，煤體處于基本被壓酥狀態(tài)，上覆巖層的壓力也將轉(zhuǎn)移到實(shí)體煤側(cè)承擔(dān)。

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

1210工作面回采期間在現(xiàn)場(chǎng)做了工業(yè)性試驗(yàn)，通過(guò)留設(shè)窄煤柱段和寬煤柱段來(lái)驗(yàn)證理論分析的合理性，分別在1210軌道巷掘進(jìn)期間留設(shè)窄煤柱寬度為5m 和寬煤柱寬度為30m 兩段，現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)巷道布置示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 工業(yè)性實(shí)驗(yàn)巷道布置示意圖

因煤巖體在載荷作用下變形破裂時(shí)，會(huì)引起電荷的分離，從而會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。電磁輻射強(qiáng)度與載荷有很好的一致性，隨著載荷的增加，電磁輻射強(qiáng)度也隨著增加，即強(qiáng)度越大，電磁輻射強(qiáng)度也就越大。

圖6 掘巷煤柱電磁輻射監(jiān)測(cè)示意圖

采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)發(fā)明的電磁輻射儀器（KBD5型）對(duì)掘進(jìn)工作面整個(gè)煤柱段進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以及時(shí)掌握不同寬度護(hù)巷煤柱內(nèi)電磁輻射值的變化情況，監(jiān)測(cè)留設(shè)窄煤柱和寬煤柱時(shí)煤柱體的穩(wěn)定性。現(xiàn)場(chǎng)在掘進(jìn)巷道護(hù)巷煤柱段每隔10m 設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置完畢后，測(cè)試開(kāi)始，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)附近平均測(cè)量2min，KBD5型儀器將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理保存。電磁輻射測(cè)試過(guò)程如圖6。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)巷道護(hù)巷煤柱監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可知在寬窄煤柱段電磁輻射平均值分別為26.9mV 和37mV，基本保持在較低的水平。從電磁輻射反映的結(jié)果可判斷留5 m 小煤柱和留30m 的寬煤柱護(hù)巷時(shí)煤柱內(nèi)載荷均偏小，且相差不多，和理論數(shù)值模擬結(jié)果比較符合。但因留設(shè)30m 的寬煤柱護(hù)巷嚴(yán)重影響特厚煤層的采出率，浪費(fèi)煤炭資源，因此采用小煤柱護(hù)巷可以更加合理的兼顧提高煤炭采出率和護(hù)巷的作用?，F(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)段電磁輻射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖7。

圖7 寬窄煤柱段現(xiàn)場(chǎng)電磁輻射數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

（1）采用FLAC2D 模擬軟件研究了厚煤層條件下不同寬度煤柱體內(nèi)垂直位移與應(yīng)力分布情況，得出留設(shè)5m 左右的小煤柱與30m 以上的寬煤柱均能對(duì)巷道起到良好的保護(hù)作用。

（2）在躍進(jìn)礦1210工作面掘進(jìn)期間進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，并采用KBD5 儀器采集電磁輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行了效果考察，結(jié)果表明留設(shè)5 m 左右的小煤柱也能穩(wěn)定的起到護(hù)巷的效果。

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