辛置煤矿2-104综放工作面合理留设煤柱尺寸研究

姚建伟

（山西焦煤霍州煤电集团辛置煤矿 ，山西 霍州 031412）

现阶段，国内外大多数煤矿依然采用留设煤柱的方法来保护采准巷道[1-2]。留设保护煤柱的资料浪费率就达到了35%以上。采准巷道作为综放回采工作面的咽喉，其安全状况影响着工作面的正常生产，决定着矿井的经济效益，而合理区段煤柱的留设决定着采准巷道的安全与维护状况。因此，综放工作面采准巷道应当合理留设煤柱，既能有利于巷道的维护，又能节约煤炭资源，提高煤炭的利用率[3-4]。

1 工作面概况

辛置煤矿2-104工作面位于一采区采区巷道前进方向右翼，北部为矿井三条大巷，南部为设计的2-105工作面，西部与同煤集团寺塔煤矿相邻。工作面标高+285～+305m，走向长度639m,倾向长度180m。工作面主采煤层2#煤层，煤层厚度5.2m。工作面沿煤层倾向布置，所有顺槽沿煤层底板布置，采用综采放顶煤开采方法。

2 煤柱宽度稳定性影响因素及破坏形式

2.1 煤柱宽度影响因素分析

综放工作面采准巷道煤柱宽度的影响因素主要受内在因素与外部因素的共同影响，其中外部因素主要受地质因素的影响；内在因素主要由区段煤柱强度宽高比决定。由于煤柱一侧为回采工作面，另一侧为采准巷道，因此，煤柱两侧支承压力的影响会形成塑性变形区。当煤柱宽度较小时，煤柱所能承载的强度较低，煤柱易出现变形破坏。煤柱内部会产生一个侧向约束分力并且随着煤柱宽度的增大，来减小煤柱所受到破坏程度。但是，这个力并不是随着煤柱宽度的增大无限增大，而是增加到一定值后保持稳定，煤柱宽度无限增大也会导致资料的浪费，因此，对于煤柱宽度应当设计合理尺寸。

2.2 煤柱破坏形式分析

煤柱变形破坏主要是由于上覆岩层垂直应力作用在煤柱，煤柱两侧煤体由弹性状态转化为塑性状态，煤柱受垂直应力的影响而破坏[5-6]。对于煤柱的破坏形式主要由剪切破坏、纵向破坏和沿弱面破坏。煤柱最大集中应力在距煤柱边缘一定深度内，煤柱宽度留设过小时，两侧煤柱的集中应力会叠加，加速煤柱破坏，易发生矿压灾害。

3 煤柱合理留设尺寸理论分析

3.1 煤柱应力分布规律

综放工作面区段煤柱的宽度影响着采准巷道和回采环境的稳定与资源的利用率。区段煤柱受工作面回采的影响，煤柱边缘由弹性状态转化为塑性状态。如果要保持煤柱的稳定性来说，应当计算出煤柱弹性区域的范围，根据以往的研究结果可知，煤柱中部2M范围为弹性区域，因此，对保证区段煤柱稳定范围为：

式中：x0为采准巷道塑性区域范围；R为回采空间塑性区域范围；2M为煤柱中部弹性区域范围，其中M为采高。

工作面回采使煤柱内应力状态重新分布，对于煤柱边缘来说，受支承压力影响，煤柱边缘形成应力集中区，其应力大小数倍于原岩应力γH，煤柱边缘由弹性状态转化为塑性状态，其强度变低，煤柱边缘受力影响产生破坏，随着工作面逐渐向前回采，应力集中区逐渐向煤柱深部转移，支承应力曲线成抛物线状态，当支承应力与煤柱所能承载应力平衡时，煤柱不在受支承应力影响，处于平衡稳定状态。煤柱应力区域分布示意图如图1所示。

图1 煤柱支承应力区域分布示意图

3.2 煤柱留设合理尺寸

综采工作面回采后煤柱采准巷道一侧也将成为采空区，由图1可以看出，煤柱两侧塑性区的范围基本相同，因此，可以近似x0=R，根据岩石力学极限平衡理论可以得出塑性区的范围为：

式中：K为应力集中系数，一侧采空取值2.5，两侧采空取值4。P为煤柱的阻力，一般取值0；M为采高；H为采深；C为煤柱内粘聚力，一般取值0.45～0.75；φ为内摩擦角；f为煤柱与顶底板接触摩擦系数，一般取值0.125；ξ为三轴应力系数，ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)

依据辛置煤矿2-104工作面地质条件以及相关参数，根据以上公式，取工作面埋设300m，计算得辛置煤矿2-104工作面煤柱合理宽度为27m。

4 煤柱应力破坏数值模拟

4.1 模拟方案

采用FLAC2D数值模拟软件对辛置煤矿2-104综放工作面煤柱合理留设尺寸进行数值模拟，分别对工作面煤柱宽度 3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、20m、25m、30m、35m进行模拟研究。以辛置煤矿2煤层工作面地质资料为基础，设定煤层埋深约300m，建立模型大小为150m×100m，分别代表所取模型的长、宽。模型采用摩尔—库伦强度准则，前后左右及下边界固定。因模拟复合弱结构对应力分布的影响，故设定各岩层及弱结构力学参数见表1。

表1 模型各岩层力学参数

根据辛置煤矿2-104工作面地质条件和参数，建立如图2所示的数值模拟模型。

图2 工作面不同煤柱宽度模拟模型

4.2 模拟结果分析

采用FLAC2D软件对模拟模型在Y方向施加12.5MPa垂直载荷，得出不同煤柱宽度Y方向应力云图，如图3所示，同样可以得出不同煤柱宽度位移变化图，如图4所示。

图3 不同煤柱宽度Y方向应力云图

由图3、图4可知，辛置煤矿2-104综放工作面煤柱宽度为3～5m，煤柱所能承载的支承压力小，煤柱被压实后，其应力逐步向回采空间内实体煤深部转移，在实体煤内部会形成应力集中，上覆岩层的垂直应力主要由实体煤承担；而随着煤柱宽度逐渐增大，煤柱所能承载的应力逐渐增大，当煤柱宽度为11～35m时，煤柱所能承载的上覆岩层垂直应力大，由煤柱两测边缘逐渐向煤柱中部转移。

图4 不同煤柱宽度Y方向位移示意图

由图4可以看出，随着工作面采准巷道煤柱宽度的逐渐增大，煤柱上支承应力逐渐增大，因此，煤柱承载能力随煤柱宽度的增加逐步增大，2-104综放工作面回采空间内煤体应力逐渐向煤柱深部转移。随着煤柱宽度的不断增大，当煤柱宽度增大到峰值时，其所能承载的支承应力大小为峰值，此时煤柱承载的应力最大，容易发生矿压等地质灾害。当煤柱宽度继续增大到30m以上时，煤柱内支承应力的大小又呈现减小的趋势，主要原因是煤柱自身已经能承载上覆岩层的垂直应力，煤柱此时能够起到起到保护巷道和回采空间的能力。由图3、图4可知当煤柱宽度为25～30m之间时，煤柱能够承载上覆岩层的垂直应力，能够保护采准巷道和回采空间。

5 结 论

1）分析了煤柱宽度的影响因素主要受内在因素与外部因素的共同影响，其中外部因素主要受地质因素的影响，内在因素主要由区段煤柱强度宽高比决定。并分析了煤柱主要有剪切破坏、纵向破坏和沿弱面破坏三种破坏形式。

2）对煤柱合理留设尺寸进行理论分析，分析了煤柱应力分布规律，煤柱应力呈现由煤柱边缘向煤柱深部先增大后减小，最后趋于稳定的形式。并通过辛置煤矿2-104工作面地质参数，计算该工作面煤柱留设合理尺寸为27m。

3）对采用FLAC2D数值模拟软件对辛置煤矿2-104综放工作面煤柱合理留设尺寸进行数值模拟，分别对工作面煤柱宽度 3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、20m、25m、30m、35m进行模拟研究，得出Y方向应力云图和Y方向位移曲线图，验证该工作面合理留设尺寸和应力分布规律。