西曲礦淺埋硬頂大采高工作面煤柱寬度優(yōu)化研究

柴銀亮

（西山煤電集團有限責(zé)任公司西曲礦， 山西 古交 030203）

我國長壁開采為保護工作面回采巷道的安全與穩(wěn)定，通常在工作面與工作面之間留有一定寬度的保護煤柱。工作面采用綜放開采時，工作面外的煤炭損失占采區(qū)總損失的61%，而僅區(qū)段煤柱的損失量就占到36.7%，而且隨區(qū)段煤柱寬度的增大而增加[1]。

1 煤柱留設(shè)現(xiàn)狀

目前，我國煤礦對于區(qū)段間煤柱留設(shè)主要有以下幾種：

1）留設(shè)大煤柱[2]，煤柱寬度大于30 m，目的使兩個區(qū)段間的煤柱中存在彈性應(yīng)力核保證上下區(qū)段的采動互不影響，但是該種方式大大浪費煤炭資源。

2）留設(shè)小煤柱[3]，煤柱寬度10～30 m，受地質(zhì)條件影響，此時在煤柱中易形成疊加應(yīng)力區(qū)，造成煤柱破壞，同時煤炭損失也較大。

3）無煤柱開采[4]，即沿空掘巷和沿空留巷方式，目前該開采技術(shù)在國內(nèi)礦井使用較多，大幅度提高了采區(qū)回采率，符合“綠色采礦”宗旨。

為研究合理為留設(shè)煤柱尺寸，本文通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以西山煤電集團西曲礦為原型，建立模型來模擬計算不同尺寸煤柱的應(yīng)力、位移情況，來選取合理的煤柱尺寸。

2 數(shù)值模擬

2.1 工程概況

山西西山煤電股份有限公司西曲礦（全文簡稱西曲礦）位于太原市古交區(qū)，18503 工作面主采8 號煤，煤層頂部普遍含有一層厚度為0.2 m 的炭質(zhì)泥巖偽頂，直接頂為厚度2.4 m 的石灰?guī)r。頂板總體屬硬質(zhì)巖，穩(wěn)定性好。直接底為厚度1.5 m 的細砂巖，老底為厚度3.1 m 粉砂巖。工作面頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1 所示。工作面巷道支護示意圖見圖2。

圖1 工作面頂?shù)装寰C合柱狀圖

圖2 巷道支護示意圖（mm）

2.2 模型建立

工作面巷道尺寸為5 m×3.5 m（跨度×高度），為盡量減少邊界條件對計算結(jié)果的影響，長度設(shè)計為100 m，寬度為16 m，高度為25 m。右側(cè)定為采空區(qū)，左側(cè)即為18503 工作面沿空掘巷煤柱留設(shè)。避免巷道開掘的影響，模型在左右邊界水平方向限制移動，上邊界無限制而下邊界在垂直方向限制移動。選擇摩爾-庫倫理論計算模型, 數(shù)值模型如圖3 所示。

圖3 模型圖

2.3 模型主要參數(shù)

根據(jù)西曲礦地層綜合柱狀圖以及相關(guān)巖層巖樣的物理性質(zhì)，通過合并部分厚度窄小巖層，簡化模型頂板為石灰?guī)r、中砂巖、細砂巖，底板為細砂巖、粉砂巖、中砂巖，模擬物理性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

2.4 模擬方案設(shè)計

參考礦井煤柱經(jīng)驗尺寸，通過對比不同尺寸的煤柱、巷道的應(yīng)力、位移和破壞狀況，通過模擬計算，模擬對比寬度為5 m、7 m、9 m 三種尺寸的窄煤柱工況。

圖4 不同煤柱寬度塑性區(qū)分布規(guī)律

2.5 計算結(jié)果與分析

圖4 為不同煤柱寬度塑性區(qū)分布圖，通過對比可知：

1）煤柱寬度為5 m 時（圖5-1，5-2），彈性區(qū)范圍達到1.5 m，工作面巷道兩幫移近量大且變形嚴(yán)重，故煤柱寬度為5 m 時不能維持巷道穩(wěn)定。因此，需要繼續(xù)增加煤柱留設(shè)寬度。

2）煤柱寬度為7 m 時（圖5-3，5-4），彈性區(qū)達到5 m，巷道塑性拉伸破壞單元較少，說明煤柱寬度按7 m 留設(shè)合理。

3）煤柱寬度為9 m 時（圖5-5，5-6），彈性區(qū)達到7 m，此時工作面巷道兩幫相對移近量較小，說明煤柱寬度按9 m 留設(shè)合理。

圖5 為不同煤柱寬度位移分布圖，通過對比可知：

圖5 不同煤柱寬度位移分布規(guī)律

1）煤柱寬度為5 m 時的巷道最大水平位移最大達到了3.3 m，巷道垂直位移最大量為1.0 m（圖6-1，6-2），已經(jīng)影響到了該巷道的正常使用，模擬結(jié)果表明煤柱寬度為5 m 時不能維持巷道穩(wěn)定。因此，需要繼續(xù)增加煤柱留設(shè)寬度。

2）煤柱寬度為7m 時的巷道最大水平位移為0.67 m，巷道垂直位移最大量為1.0 m（圖6-3，6-4），說明支護效果較好、煤柱寬度留設(shè)合適.

3）煤柱寬度為9 m 時（圖6-5，6-6），巷道最大水平位移為0.67 m，巷道垂直位移最大量為1.0 m，位移量較小。

圖6 為不同煤柱寬度應(yīng)力分布圖，通過對比可知：

圖6 不同煤柱寬度應(yīng)力分布規(guī)律

1）煤柱寬度為5m 時的巷道最大水平應(yīng)力為13.8 MPa，垂直應(yīng)力最大量為7.4 MPa。

2）煤柱寬度為7 m 時的巷道最大水平應(yīng)力為15.0 MPa，垂直應(yīng)力最大量為12.8 MPa。

3）煤柱寬度為9m 時，最大水平應(yīng)力為14.0 MPa，垂直應(yīng)力最大量為12.6 MPa。

通過以上數(shù)值模擬計算結(jié)果分析，煤柱寬度為5 m 時巷道無法滿足正常安全使用，煤柱留設(shè)7 m、9 m 時，巷道變形量較小可以正常使用，考慮到經(jīng)濟因素，根據(jù)模擬結(jié)果最終選定煤柱最優(yōu)寬度為7 m。

3 結(jié)語

根據(jù)西曲礦18503 工作面的地質(zhì)概況和以往支護方案，針對工作面煤柱尺寸優(yōu)化問題，建立了數(shù)值模擬模型和模擬方案，對煤柱進行三種寬度為5 m、7 m、9 m 的對比模型。通過對煤柱進行三種不同寬度的對比情況下的圍巖應(yīng)力和應(yīng)變進行模擬。綜合考慮工作面安全與經(jīng)濟方面，模擬結(jié)果表明當(dāng)煤柱留設(shè)最佳尺寸為7 m。