新窯上煤礦大采高綜采工作面合理煤柱尺寸留設(shè)研究

張學(xué)亮

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013)

區(qū)段煤柱留設(shè)位置及尺寸是影響工作面布置優(yōu)化的重要因素，在一些地質(zhì)條件好的礦區(qū)，工作面布置主要取決于區(qū)段煤柱合理尺寸和上下煤層間的層位關(guān)系。由于煤礦開采條件的復(fù)雜性，區(qū)段煤柱的留設(shè)多按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)段煤柱的留設(shè)尺寸進(jìn)行了廣泛的研究，針對(duì)煤柱強(qiáng)度及其荷載分析，國外學(xué)者提出了10余種煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式，以及壓力拱理論、有效區(qū)域理論和威爾遜理論[1]。國內(nèi)學(xué)者提出了大板裂理論[2]并發(fā)展完善了極限平衡理論[3]，開展了基于鉆孔煤粉量變化規(guī)律[4]、煤柱應(yīng)力變化規(guī)律、相似模擬、數(shù)值模擬以及高精度微地震[5]等方面的研究。

針對(duì)涉及多煤層開采的大采高綜采面，一方面要考慮本煤層工作面間區(qū)段煤柱合理尺寸，另一方面要考慮煤層間工作面區(qū)段煤柱的空間位置關(guān)系，通過合理確定區(qū)段煤柱尺寸、優(yōu)化上下工作面的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)綜采工作面的最優(yōu)化布置[6-9]。

本文以神木新窯上煤礦5-2煤層綜采工作面布置優(yōu)化為工程背景，通過理論分析和數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法，對(duì)不同寬度區(qū)段煤柱、區(qū)段煤柱與上層煤區(qū)段煤柱的平移距離等位置關(guān)系進(jìn)行研究，得出該礦5-2煤層合理區(qū)段煤柱尺寸并最終優(yōu)化工作面布置。

1 礦井概況

新窯上煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田神東礦區(qū)，井田含煤地層為侏羅紀(jì)中統(tǒng)延安組，共含可采煤層6層，編號(hào)自上而下為2-2，3-1，4-2，4-3，4-4，5-2號(hào)。其中：2-2煤層僅賦存于井田西南角和東南部，為檸條塔露天礦開采煤層，其余5層煤為采礦許可證批準(zhǔn)的新窯上煤礦開采煤層。

井田內(nèi)各煤層瓦斯含量很低，瓦斯成分以N2為主，占80%以上；CH4占0～0.91%，瓦斯分帶屬CO2-N2帶。井田內(nèi)各煤層均屬低變質(zhì)階段煙煤，煤塵爆炸指數(shù)遠(yuǎn)大于10%，煤層具有煤塵爆炸性危險(xiǎn)。井田內(nèi)各煤層均屬易自燃煤層。井田地溫情況正常，無地?zé)嵛：Α?/p>

礦井3-1煤層全井田賦存，已采用房柱式回采完畢多年，根據(jù)推測(cè)已經(jīng)冒落嚴(yán)實(shí)；4-2煤層部分采用房柱式開采，后采用長壁開采布置8個(gè)綜采面，剩余1個(gè)工作面的330m尚未回采；4-3煤層首采面剩余140m；4-4煤層暫未考慮回采。

礦井5-2煤層可采厚度5.23～6.12m，平均5.65m，屬于厚～特厚煤層，煤層厚度局部有所變化，但規(guī)律明顯，結(jié)構(gòu)簡單，不含或局部含一層夾矸，夾矸厚度一般小于0.20m，夾矸巖性以泥巖為主，屬穩(wěn)定型煤層。5-2煤層與4-3煤層層間距約49.6m。

礦井以往各煤層之間巷道布置采用垂直布置，5-2煤層工作面初步設(shè)計(jì)沿用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用區(qū)段煤柱寬度20m，工作面長度200m，煤層埋深約225m。

隨著4-2煤層回采結(jié)束，發(fā)現(xiàn)20m區(qū)段煤柱能夠保證工作面的順利回采，尚有部分優(yōu)化空間。為進(jìn)一步優(yōu)化區(qū)段煤柱寬度，提高采區(qū)的資源采出率，針對(duì)5-2煤層合理區(qū)段煤柱進(jìn)行研究，并對(duì)5-2煤層工作面進(jìn)行合理布置。

2 理論分析

2.1 工作面布置方式初選

根據(jù)上部工作面與下部回采工作面巷道布置的相關(guān)關(guān)系，下煤層工作面可與上部煤層在空區(qū)形成4種布置關(guān)系，如圖1所示。

圖1 下煤層工作面與上部煤層工作面布置關(guān)系

圖1中(a)為外錯(cuò)布置：下層回采巷道布置在上層工作面的外側(cè)。區(qū)段煤柱形成倒梯形，煤柱寬度減小，下層工作面長度加大。雖然工作面煤炭采出率相對(duì)較高，但巷道處于高應(yīng)力集中區(qū)，巷道維護(hù)難度及費(fèi)用增加。

圖1中(b)為內(nèi)錯(cuò)布置：下層回采巷道布置在上層工作面內(nèi)側(cè)，區(qū)段之間形成正梯形煤柱。由于區(qū)段煤柱寬度加大，下層工作面長度也隨之縮短，工作面煤炭損失量相對(duì)較大。但是下層回采巷道在采空區(qū)低應(yīng)力下掘進(jìn)，巷道易于掘進(jìn)與維護(hù)。

圖1中(c)為垂直布置：下層與上層回采巷道在平面上垂直布置，上下煤層工作面長度相等，這樣可以使上下煤層之間煤柱尺寸相等，減少煤的損失，但給下層回采巷道(主要是極近距離煤層)施工帶來一定困難。

圖1中(d)為平移布置：為了保證工作面長度，盡量減少煤柱損失，可在下煤層采用平移布置的方式。即其中運(yùn)輸巷布置在采空區(qū)下，回風(fēng)巷布置在上層煤煤柱下，或相反布置。下層與上層煤工作面長度及區(qū)段煤柱尺寸相同。

通過分析可知，考慮采用較小的煤柱，以提高資源采出率，可以采用外錯(cuò)式布置減小區(qū)段煤柱或采用平移布置后減小區(qū)段煤柱的尺寸。

根據(jù)彈性力學(xué)半平面問題的求解結(jié)果可知，在均布載荷條件下煤層底板的應(yīng)力分布規(guī)律如圖2所示。

b—煤柱寬度；p—煤柱應(yīng)力圖2 煤柱底板支承壓力分布示意

由圖2可知，煤柱壓力在煤層底板巖層內(nèi)傳遞是由近及遠(yuǎn)、由大到小的。隨著遠(yuǎn)離煤柱，向煤柱底板中的深度愈大，產(chǎn)生的垂直應(yīng)力愈小，認(rèn)為0.1p大小的應(yīng)力對(duì)巷道的影響可以忽略不計(jì)，即煤柱的應(yīng)力影響邊界在0.1p處。

由于層間距為49.6m，上覆煤柱為20m，垂直下部煤體處于上覆煤柱應(yīng)力影響0.2～0.25p。煤柱中心應(yīng)力影響最大，向兩側(cè)逐漸減小。

2.2 區(qū)段煤柱尺寸

根據(jù)彈塑性變形條件下，煤柱的極限平衡力學(xué)模型[10]，回采空間(采空區(qū)側(cè))和回采巷道在煤柱兩側(cè)分別形成一個(gè)寬度為R0與R的塑性變形區(qū)，當(dāng)區(qū)段煤柱寬度B小于煤柱兩側(cè)形成的塑性區(qū)寬度R0與R之和時(shí)，煤柱兩側(cè)形成的塑性區(qū)相貫通，煤柱將發(fā)生破壞。

對(duì)一次采全厚的綜采工作面護(hù)巷煤柱，彈性核的寬度取兩倍的巷道高度(h)即可，故工作面護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度B≥R0+2h+R，區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度為B≥R0+2h+R0。對(duì)于下部開采的工作面由于受到煤層條件的限制，區(qū)段煤柱寬度至少需要保證B≥2R0，條件能夠滿足的，再考慮一定的煤柱中部彈性區(qū)[11]。

根據(jù)極限平衡理論可求得回采工作面周邊煤體的塑性區(qū)寬度R0為：

式中,M為煤層開采厚度，6m；λ為側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/(1-μ)，μ為泊松比，取λ=0.22/(1-0.22)=0.282；φ0為煤體交界面內(nèi)摩擦角，取31°；C0為煤體交界面黏聚力，取6MPa；K為回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)，按6進(jìn)行計(jì)算；H為開采深度，225m；γ為上覆巖層平均容重，25kN/m3。

故可以求出回采引起的塑性區(qū)寬度為：R0=2.08m。

下部工作面煤柱的寬度B≥R0+2h+R0=2.08+2×4+2.08=12.16m。

條件受到限制時(shí)，煤柱寬度至少為B≥2R0=2×2.08=4.16m。

分析可見，煤柱采用小煤柱護(hù)巷時(shí)，寬度需大于4.16m；采用大煤柱護(hù)巷時(shí)，煤柱寬度需大于12.16m。

3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)新窯上煤礦375號(hào)鉆孔柱狀建立FLAC3D數(shù)值模擬模型[12]，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)按巖性的平均取值給定，煤層區(qū)域網(wǎng)格劃分為1m×1m。

模擬分析5-2煤層巷道布置方式分別為垂直布置(煤柱20m)、外錯(cuò)布置(煤柱10m，12m，14m，16m，18m)、內(nèi)錯(cuò)布置(煤柱30m)、平移布置(煤柱20m)時(shí)煤柱的破壞及應(yīng)力分布情況，其中平移布置分析平移距5m，10m，15m，20m，25m，30m等6種情況。區(qū)段煤柱塑性區(qū)分布部分模擬結(jié)果如圖3所示(部分)。

圖3 區(qū)段煤柱塑性區(qū)分布

通過模擬分析得到，垂直布置煤柱20m時(shí)，彈性核區(qū)范圍14m；內(nèi)錯(cuò)布置煤柱30m時(shí)，彈性核區(qū)范圍24m；外錯(cuò)布置煤柱分別為10m，12m，14m，16m，18m時(shí)，彈性核區(qū)范圍分別為0m，4m，6m，8m，12m；平移布置煤柱20m，平移距分別為5m，10m，15m，20m，25m，30m時(shí)，彈性核區(qū)范圍分別為15m，16m，17m，17m，17m，17m。

模擬分析可見，隨著外錯(cuò)布置煤柱尺寸的減小彈性核區(qū)逐漸減小，至外錯(cuò)布置煤柱尺寸10m時(shí)，煤柱內(nèi)的彈性核區(qū)減小為0m，此時(shí)塑性區(qū)已經(jīng)連通。采用平移布置煤柱20m時(shí)，隨著平移距減小，煤柱內(nèi)彈性核區(qū)逐漸減小，至平移距5m時(shí)，彈性核區(qū)范圍減小至15m。該模擬結(jié)果表明，以上方案中除區(qū)段煤柱尺寸10m的外錯(cuò)布置外，其他方案均能滿足要求且還有優(yōu)化空間。

將煤柱中的垂直應(yīng)力進(jìn)行提取，得到如圖4和圖5所示的應(yīng)力曲線。

圖4 不同區(qū)段煤柱時(shí)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線

圖5 外錯(cuò)布置時(shí)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線

分析圖4可見，采用外錯(cuò)布置煤柱尺寸為10m時(shí)煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度最高，呈現(xiàn)明顯的單峰值應(yīng)力集中狀態(tài)；隨著煤柱尺寸的增大，煤柱內(nèi)應(yīng)力水平逐漸降低；至內(nèi)錯(cuò)布置時(shí)，煤柱尺寸為30m，無論是應(yīng)力峰值還是煤柱內(nèi)應(yīng)力水平均為3種布置方式中最低。采用平移布置時(shí)，隨著平移距的增大，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值和總體應(yīng)力水平逐漸降低，平移距大于15m以后，應(yīng)力水平降低程度趨于平緩，平移布置煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值和總體應(yīng)力水平均低于內(nèi)錯(cuò)布置。說明平移布置的應(yīng)力分布總體上最優(yōu)。

分析圖5可見，采用外錯(cuò)布置時(shí)，煤柱尺寸為10～12m時(shí)煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度最高；隨著煤柱尺寸進(jìn)一步增大，煤柱內(nèi)應(yīng)力水平逐漸降低，這與理論分析的結(jié)論趨于一致。

綜合上述分析，采用平移布置時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力水平最低；采用平移布置(平移距>5m)時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力分布最優(yōu)；采用外錯(cuò)布置時(shí)煤柱不宜低于12m。

進(jìn)一步分析平移布置時(shí)的合理煤柱尺寸。采用平移距10m時(shí)，分析煤柱寬度20m，15m，10m，8m，6m，5m時(shí)煤柱內(nèi)塑性破壞和垂直應(yīng)力分布，得到彈性核區(qū)范圍分別為16m，10m，2m，0m，0m，0m。圖6為塑性破壞區(qū)域分布情況(部分)。

圖6 平移距10m不同區(qū)段煤柱寬度塑性區(qū)分布

分析圖6可見，隨著煤柱尺寸從20m逐漸減小，煤柱彈性核區(qū)逐漸變小，至煤柱尺寸減小為8m時(shí)，煤柱彈性核區(qū)減小為0m，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)破壞范圍發(fā)生了連通。

提取平移距10m時(shí)不同寬度區(qū)段煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力變化，如圖7所示。分析可見，隨著煤柱尺寸從20m逐漸降低至10m，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值及總體水平明顯升高，至煤柱10m時(shí)達(dá)到最大；煤柱降低至8m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力呈現(xiàn)單峰狀，應(yīng)力水平比煤柱10m時(shí)有所降低；煤柱降低至6m，5m時(shí)，應(yīng)力水平降低明顯，應(yīng)力呈現(xiàn)單峰狀，此時(shí)煤柱已經(jīng)發(fā)生塑性破壞，承載能力明顯降低。說明平移距10m時(shí)，最優(yōu)煤柱尺寸為10m。

圖7 平移距10m不同區(qū)段煤柱寬度時(shí)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布

進(jìn)一步分析平移距10m煤柱10m與外錯(cuò)布置煤柱12m、外錯(cuò)布置煤柱10m時(shí)的應(yīng)力情況，如圖8所示。分析可見，采用平移距10m煤柱10m比外錯(cuò)布置煤柱12m和外錯(cuò)布置煤柱10m時(shí)應(yīng)力水平都低。

圖8 不同區(qū)段煤柱寬度與布置時(shí)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布

綜上分析，此方案下，采用平移距10m煤柱寬度10m方案最佳，既可以滿足安全回采需要，又能提高煤炭資源采出率。

4 工作面布置優(yōu)化方案

從礦井平面布置分析得到，新窯上煤礦5-2煤層工作面布置總寬度約1300m，采用一組開拓巷道雙側(cè)布置工作面，工作面按200m長度，區(qū)段煤柱留設(shè)按20m，單側(cè)可劃分約6個(gè)工作面。

考慮到采用平移布置，且平移距>5m時(shí)，區(qū)段煤柱留設(shè)10m，工作面按200m長度，單側(cè)可布置約6個(gè)工作面。邊界區(qū)域的首個(gè)工作面按220m(一側(cè)為垂直布置煤柱20m、一側(cè)煤柱10m平移距10m，其余煤柱均能實(shí)現(xiàn)煤柱10m平移距大于10m)，若其他工作面均按220m傾向長度考慮，則單側(cè)可劃分5.5個(gè)工作面。

考慮到工作面均衡劃分，按單側(cè)5個(gè)工作面考慮，則取工作面長度約246m。

按照上述工作面布置，可較原方案節(jié)省一個(gè)工作面的區(qū)段煤柱，經(jīng)計(jì)算，可多采出煤炭資源量共計(jì)0.99387Mt。

5 結(jié) 論

綜合分析新窯上煤礦5-2煤層的賦存條件，經(jīng)過理論分析和數(shù)值模擬分析，得到工作面合理布置方式及其區(qū)段煤柱尺寸，并對(duì)原工作面布置方案進(jìn)行了優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

(1)通過理論分析可知，工作面布置可以采用外錯(cuò)布置或平移布置后減小區(qū)段煤柱的尺寸，以提高資源采出率。根據(jù)彈性力學(xué)半平面問題的分析求解，可采用平移距不低于5m的平移布置。根據(jù)極限平衡理論計(jì)算得到，不考慮上下層位關(guān)系時(shí)，采用小煤柱護(hù)巷時(shí)，寬度需大于4.16m；采用大煤柱護(hù)巷時(shí)，煤柱寬度需大于12.16m。

(2)數(shù)值模擬研究表明，采用外錯(cuò)布置時(shí)煤柱寬度不宜低于12m；采用平移布置(平移距>5m)時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力分布最優(yōu)。在文章設(shè)定分析方案下，采用平移距10m煤柱寬度10m方案最佳。

(3)根據(jù)上述研究結(jié)果，將新窯上5-2煤層原規(guī)劃單側(cè)共布置6個(gè)工作面的方案優(yōu)化為單側(cè)布置5個(gè)工作面，可多采出煤炭資源量共計(jì)0.99387Mt。

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