厚煤层综放面区段煤柱合理宽度研究

赵慧鹏

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿， 山西 太原 030053）

DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2022.03.035

在煤矿采掘过程中，由于煤矿井下作业环境较为恶劣，使得在正常开采过程中，巷道受到的应力环境十分复杂，在采用厚煤层综放方法进行煤层开采时，由于区段煤柱的留设，使得矿井煤炭资源浪费严重，同时随着巷道进一步开采，煤柱尺寸增大，煤炭资源浪费情况加重[1]，因此，研究厚煤层综放面煤柱宽度的合理尺寸对于维持巷道稳定性、提升矿井采煤率具有十分重要的意义[2]。本文以镇城底矿22212 工作面为工程背景，采用数值模拟及理论分析等方法，对厚煤层坚硬顶板区段煤柱的留设进行研究，为矿井经济效益的提升提供一定的参考。

1 镇城底矿概况

镇城底矿井田位于西山煤田的西北边缘，距太原市64 km，矿区总面积22.8 km2，年生产能力190 万t。井田含煤层地层为二迭系山西组及石炭系太原组，可采煤层有8 层，主采煤层为2 号、3 号和8 号。煤层总厚度16.79 m，含煤系数为10.42%，矿井地质构造较复杂。22212 工作面主要开采太原组2 号煤层，煤层厚度4.5 m，由于保护煤柱留设宽度较大，造成资源的严重浪费。

2 区段煤柱留设理论分析

回采工作面采用的护巷煤柱一般可分为窄煤柱和宽煤柱两种，窄煤柱护巷是在采空区的边缘布设一定宽度的窄煤柱，从而降低巷道的集中应力，利用窄煤柱的承载力进行巷道支护。但窄煤柱留设不合理时，会使得煤柱出现压坏的情况，此时巷道煤岩的稳定性就无法得到保证，会造成巷道出现大幅度变形。而采用宽煤柱护巷时，既需要保证煤柱不会出现大面积塑性区破坏，同时也需要保证资源浪费量最小，所以需对区段煤柱的合理尺寸进行研究。对区段煤柱的应力分布情况进行分析，随着煤柱宽度的增大，煤柱的应力分布情况也所有不同[3]。煤柱的应力分布大致可分为如图1 所示的三种情形，图中B 为煤柱宽度，L为支撑压力影响范围。

图1 不同煤柱宽度应力分布

从图1 可以看出，当区段煤柱综放面回采完成后，此时工作面的扰动使得支撑压力的影响距离和煤柱宽度分布呈现出三种趋势。当B＞2L 时，此时的载荷分布呈现出堆成分布的情形，对称轴为煤柱的中心线，应力分布呈现出双驼峰状；当L＜B＜2L 时，此时的应力的载荷呈现出叠加趋势，整体应力分布呈现出马鞍形；当B＜L 时，此时的煤柱两侧应力完全叠加，应力分布大幅度上升，煤柱中间的应力急剧增大，此时应力峰值呈现单峰态势，长时间承载后煤柱中间易发生失稳破坏。由此可以看出，在长期采动影响下，煤柱发生蠕变，从而使得煤柱失稳，造成巷道变形。为了分析合理煤柱宽度，利用FLAC3D数值软件对特厚煤层区段煤柱的合理宽度进行分析[4]。

3 数值模拟分析

首先结合矿井地质条件，构建数值模型，建立模型长、宽、高分别为394 m、8 m、285 m；在模型顶部施加覆岩自重，经过计算，确定施加5.4 MPa 的均布载荷；对模型进行网格划分，整个模型经过网格划分后共有66 138 个单元，98 334 个节点；根据顶底板岩层岩性对模型进行力学参数设定，设定完成后对模型宽度进行设定，分别选定煤柱宽度为8 m、10 m、13 m、15 m、20 m 和30 m；随后对模型进行计算，由于模拟图较多，本文仅展示8 m、15 m 和20 m 的云图情况，如图2 所示。

图2 不同煤柱宽度煤柱垂直应力分布云图

从图2 可以看出，在巷道开挖过程中，巷道的原岩应力会出现重新分布。当煤柱宽度为8 m 时，煤柱的应力集中现象较为明显，应力集中的区域较大。当煤柱宽度增大至15 m 时，此时高应力集中区域的面积大幅度减小，此时巷道煤柱内部的应力集中几乎消失，而在采空区侧，此时的应力集中区域无较大变化，随着煤柱宽度的进一步增加，应力集中区域逐步降低，应力峰值出现在巷道侧1 m 左右的位置，在采空区侧应力峰值分布于2～3 m 的位置。在煤柱宽度从8 m增大至20 m 的过程中，此时巷道的应力峰值有了较大幅度的降低，峰值从24.2 MPa 降低至9.2 MPa。

对不同煤柱回采期间的垂直应力分布情况进行分析，将煤柱宽度为8 m、10 m、13 m、15 m、20 m、30 m时的垂直应力分布情况进行曲线绘制，如图3 所示。

图3 不同煤柱宽度垂直应力分布曲线

从图3 可以看出，在工作面回采过程中，由于受到工作面采动及采空区侧向支撑压力的作用，使得煤柱在回采期间的应力峰值较掘进期间有了较大幅度的提升。当煤柱宽度为8 m 和10 m 时，此时的煤柱内部应力大致呈现出单峰的趋势，应力的最大值分别为47.4 MPa 和51.8 MPa；当煤柱宽度增大至10 m 以上时，此时煤柱的内部应力分布呈现出不对称的双峰形态，而应力值较煤柱宽度小于10 m 时有了较大幅度的降低；在煤柱宽度为15 m 时，应力峰值为37.5 MPa，此时煤柱内部的应力环境较为缓和；而随着煤柱宽度进一步增大，在煤柱宽度20 m 时，煤柱内部的应力峰值为27.5 MPa，在煤柱宽度为30 m 时，应力峰值为19.1 MPa。虽然随着煤柱宽度增大，煤柱内部应力及巷道应力环境均有了大幅度的改善，但同时也会造成一定的资源浪费，所以煤柱的合理宽度应该设定在15～20 m 的范围，煤柱宽度在此区段不仅可以保证巷道的稳定性，同时能够避免造成大量的资源浪费[5]。

对煤柱内部的塑性区变化规律进行分析，绘制出不同煤柱宽度下塑性区面积与煤柱面积的比值曲线，如图4 所示。

图4 不同煤柱宽度下塑性区面积与煤柱面积的比值曲线

从图4 可以看出，当煤柱宽度为8 m 和10 m 时，此时的煤柱内部塑性区域面积均大于整体面积的60%，同时在巷道侧的塑性区域比值小于采空区侧的塑性区域比值，可以看出此时煤柱几乎完全破坏，在采空区侧的应力环境更为恶劣；当煤柱宽度大于10 m时，此时的整体煤柱内部塑性区占煤柱整体面积的比值有所降低，分别为28%、16%、7%、4%，由此可以得出随着煤柱宽度的增大，此时煤柱内部塑性区域面积有所降低，同时降低的幅度逐步减小，可得出煤柱的宽度对于煤柱内部塑性区影响较大；当煤柱宽度大于15 m 时，此时煤柱整体的塑性区分布能够满足要求，区段煤柱维护巷道稳定性的作用得到保障。因此，煤柱宽度的选择应当选定为15 m。

4 结论

1）为了研究22212 综放工作面开采煤层区段煤柱的合理尺寸，对宽煤柱支护巷道应力分布情况进行分析，为后续煤柱宽度的选择提供依据。

2）通过对不同煤柱宽度下煤柱垂直应力分布情况进行分析发现，随着巷道煤柱宽度的增大，煤柱内部垂直应力有了明显的减小，在考虑资源浪费情况下，确定煤柱宽度为15～20 m 时最佳。

3）对不同煤柱宽度下煤柱内部塑性区分布进行分析发现，随着煤柱宽度增加，煤柱内部塑性区面积减小，15 m 的煤柱宽度为最经济、安全且合理的宽度。