綜放工作面沿空側煤柱合理寬度留設研究

張建斌

(潞安集團慈林山煤業(yè)公司 夏店煤礦, 山西 長治 046200)

目前，我國對于厚煤層及特厚煤層的開采，主要采用大采高開采和綜放開采方式，而綜放開采由于開采效率高、產量大的優(yōu)點在煤礦得到普及。由于綜放工作面回采巷道頂板及兩幫通常均為煤體，巷道圍巖強度較低，圍巖變形量較大，需要在相鄰工作面之間留設一定寬度的煤柱來保護巷道、減小圍巖的破壞變形。合理的煤柱寬度留設，不僅能保持巷道穩(wěn)定，而且可以減少煤炭資源的浪費和經濟損失。

根據以往工程經驗，在兩工作面之間通常留設35 m寬的煤柱，煤炭資源損失嚴重。本文通過對夏店煤礦3107工作面不同推進距離沿空側煤柱內的應力分布特征進行研究，合理確定了煤柱的寬度，可大大減少煤炭資源的損失，對類似條件的工作面確定煤柱寬度，具有參考借鑒作用。

1 礦井概況

夏店煤礦3107工作面現開采3號煤層，煤層平均埋深為300 m，平均厚度為5.93 m，傾角平均為3°，煤體容重1.35 t/m3，煤層頂底板情況如表1。工作面傾斜長度為187 m，推進長度為960 m，采用綜采放頂煤開采，采高3.1 m，放煤高度為2.83 m，循環(huán)進度0.8 m。3107工作面北側為N101回風巷，南面為31采區(qū)大巷，西面為實體煤，東面為3117E采空區(qū)。按照以往工程經驗，3107工作面與3117E采空區(qū)需要留設35 m寬保護煤柱，煤柱的承載情況及尺寸設計缺乏有效的依據，因此對3107工作面沿空側煤柱變形失穩(wěn)規(guī)律及煤柱留設的尺寸進行研究是非常必要的，也可為后續(xù)同類工作面巷道煤柱的留設提供借鑒。

表1 3107工作面煤層頂底板情況

2 煤柱寬度理論計算

一般煤柱內應力穩(wěn)定的區(qū)域，可認為是未受破壞擾動區(qū)域。工作面煤層開采以后，回采空間周圍巖體的受力壞境會受到影響，直到形成新的平衡狀態(tài)。對于護巷煤柱，頂板巖層在煤層開挖直到結構穩(wěn)定，會對煤柱形成一定載荷，在其作用下煤柱表面區(qū)域多形成一定的屈服破壞區(qū)，支承壓力由煤柱表面至深部大致呈現先增大后降低的趨勢，直至達到原巖應力狀態(tài)形成新的平衡[1-4]。

合理留設煤柱寬度是為了保證新巷道的安全，防止采空區(qū)內的瓦斯通過煤柱內的裂隙涌入巷道中，因此煤柱必須保證內部留有一定寬度的穩(wěn)定核區(qū)，同時為提高煤炭資源回收率，應使煤柱寬度盡可能小。綜合考慮影響煤柱穩(wěn)定性的因素，確定煤柱寬度的計算公式為[5]：

B=x0+x1+x2

(1)

(2)

式中：x0為沿空側煤柱的屈服破壞寬度，m；m為巷道高度，取3 m；A為煤柱的側壓系數，3107工作面取0.8；φ0為煤層的內摩擦角，3號煤層取30.5°；C0為煤層的內聚力，本煤層內聚力取1.5 MPa；K為煤柱內應力集中系數，取3；γ為覆巖容重，取25 kN/m3；H為煤層埋深，取300 m；Pz為煤柱幫部所受支護阻力，取0.08 MPa；x1為錨桿的錨固長度，取2 m；x2為煤柱寬度的富裕量，x2=(x0+x1)×(0.15～0.35)。

將以上參數代入公式得：x0=18.48 m，x2=3.072～7.168 m，B=23.55～27.97 m。由此確定3107工作面沿空側煤柱合理寬度為23.55～27.97 m。

3 煤柱寬度數值模擬分析

3.1 模型建立

以3107工作面的地質條件為基礎，應用FLAC3D軟件，建立數值計算模型，模型尺寸為245 m×120 m×110 m。在模型的四周與底面均設定為固定邊界條件，模型頂部設為應力邊界，通過施加均布載荷代替上覆巖層對模型的壓力，3號煤層埋深平均為300 m，施加載荷大小為8.65 MPa，側壓系數取0.8。數值計算模型與初始應力平衡如圖1所示。在煤柱寬度為35 m條件下，分析3107工作面回采引起煤柱內應力的變化特征，由此來確定煤柱的合理寬度。模擬過程分步開挖，每推進20 m計算1 000步，回采至100 m時計算至平衡。

圖1 數值模型與初始應力平衡模型

3.2 模擬結果分析

本次數值模擬計算3107工作面分別推進0 m、20 m、40 m、60 m、80 m、100 m時煤柱內的垂直應力分布情況，圖2為工作面推進不同距離下煤柱的應力變化情況，圖3為煤柱內應力導出后得到的煤柱應力曲線。

由圖3可以看出，隨著工作面推進距離的增大，煤柱受到的采動影響也在不斷變大，煤柱內垂直應力大致為“雙峰-谷”形態(tài)，垂直應力峰值分別在煤柱內的4 m、31 m處，推進距離越大，煤柱內垂直應力峰值也在不斷變大；留煤柱護巷的基本條件是煤柱在出現塑性破壞后，其中央應力穩(wěn)定區(qū)域的寬度應不小于工作面采高的2倍，即彈性穩(wěn)定區(qū)的寬度應不小于6.2 m。圖3中“谷”的范圍大致在煤柱內11～28 m處 ，寬度為17 m，滿足彈性穩(wěn)定區(qū)寬度的要求，該區(qū)域內煤柱垂直應力處于較低水平，煤柱受到的破壞擾動較小，承載能力較強，因此煤柱留設寬度取計算所得寬度的下限，即可滿足工作面安全生產的要求。

圖2 工作面回采過程中煤柱垂直應力云圖

圖3 煤柱垂直應力分布曲線

4 結 語

1) 本文以夏店煤礦3107綜放工作面地質條件為基礎，對采空區(qū)側煤柱內應力分布特征進行了研究，通過理論計算，煤柱留設寬度應在23.55～27.97 m范圍內；

2) 通過數值模擬，煤柱留設區(qū)域內煤柱垂直應力處于較低水平，煤柱受到的破壞擾動較小，承載能力較強，屬于彈性穩(wěn)定區(qū)，煤柱留設寬度可取計算寬度的下限；

3) 綜合理論計算和數值模擬結果，并參照工程經驗留設煤柱的寬度，為確保工作面回采時巷道的安全穩(wěn)定，最終將煤柱留設寬度確定為25 m；

4) 確定煤柱留設寬度為25 m，相比按照工程經驗留設的煤柱寬度減少了10 m，不僅提高了煤炭資源的采出率，而且可提升礦井的經濟效益。