厚煤層條件下合理寬度煤柱留設研究

武炳瑞

（山西潞安工程有限公司礦建分公司，山西省長治市，046000）

厚煤層在我國有著豐富的儲量，據統計，我國厚煤層產量占40%50%。隨著煤炭資源的日益緊張，開展對護巷煤柱合理寬度留設的研究，尤其對于 （特）厚煤層條件下煤柱留設寬度的合理優化，對于提高礦井煤炭資源采出率以及利用情況有著重要的經濟與現實意義。

1 地質概況

躍進煤礦1210工作面位于井田南翼采區下山北側，為VI煤第三個工作面，緊鄰1208 采空區順序接替開采。VI煤層厚度8.710.8 m，平均厚度9.3m。煤層發育穩定，煤層平均傾角7°。煤層老頂為中、細砂巖，厚度8.819.7 m；直接頂為粉砂巖或泥巖，厚度0.876.38 m；直接底為粉砂巖，厚度1.563.14 m；老底為中、細砂巖，厚度9.421.5 m。工作面區域內煤層底板標高-476.6-516.7 m，地面標高+44.2-+45.3m。

2 工作面煤柱留設研究

2.1 模擬方案設計

為了研究1208采空區與1210回采工作面之間合理的煤柱留設寬度，運用FLAC2D 數值模擬軟件對煤柱寬度為5 m、9 m、15 m、20 m、25 m、30m 的情況進行了模擬研究。根據1210回采工作面的地質條件，以該采區地質柱狀圖為依據，對保護巷煤柱不同寬度條件下煤柱受力進行了模擬分析。

模型大小為300m×150m （長×高），模型上表面施加9.8 MPa的垂直載荷以模擬巖層的自重，底部邊界固定，側面均水平方向約束，取側應力系數1.2。本次模擬可以研究工作面鄰近采空區一側不同煤柱寬度對巷道及工作面實體煤周圍應力分布的影響規律。所取巖石力學參數見表1，模擬模型簡化示意圖見圖1。

表1 煤層及其頂底板巖層力學性質參數

圖1 煤柱模擬示意圖

2.2 煤柱內垂直應力分析

模擬了工作面鄰近采空區一側不同煤柱寬度條件對巷道及工作面實體煤周圍應力分布的影響情況，運用FLAC2D 對不同煤柱留設寬度下的垂直應力云圖模擬結果見圖2，監測到的煤柱內部的垂直應力變化數據見圖3。

由圖2、圖3 數值模擬結果可以看出，隨著護巷煤柱寬度的增大，煤柱中的最大垂直應力由小變大，然后再變小，因而隨煤柱寬度的增加，煤柱承載能力逐漸提高，工作面巷幫實體煤內的應力呈現出逐漸向煤柱轉移的趨勢。當煤柱寬度達到一定值時，煤柱內應力達到峰值，這時煤柱承受著較大的上覆巖載荷，并容易形成彈性能，引發巷道沖擊破壞災害；當煤柱寬度進一步增大后 （如30m），煤柱內的應力又呈現出下降的趨勢，此時煤柱自身已經能夠承擔起上覆巖層的應力，煤柱起主要承載作用。可以發現，當煤柱寬度過小時，留設的小煤柱基本被壓酥，煤柱內載荷較小，上覆巖層應力主要由實體煤側承擔；而當煤柱寬度較大時，上覆巖層應力逐漸向煤柱上部分布，此時煤柱中部起主要承擔壓力的作用。

圖4 不同寬度煤柱內位移變化曲線

2.3 煤柱內垂直位移分析

圖4 為煤柱寬度為5 m、9 m、15 m、20 m、25m、30m 的條件下，不同煤柱寬度時煤柱內位移變化數據。

從圖4結果可以看出煤柱中位移隨著寬度的減少而逐漸增大，當區段煤柱寬度小于10m 時，由于煤柱垂直位移變化量極劇增加，煤體處于基本被壓酥狀態，上覆巖層的壓力也將轉移到實體煤側承擔。

3 現場工業試驗

1210工作面回采期間在現場做了工業性試驗，通過留設窄煤柱段和寬煤柱段來驗證理論分析的合理性，分別在1210軌道巷掘進期間留設窄煤柱寬度為5m 和寬煤柱寬度為30m 兩段，現場工業性試驗巷道布置示意圖見圖5。

圖5 工業性實驗巷道布置示意圖

因煤巖體在載荷作用下變形破裂時，會引起電荷的分離，從而會產生電磁輻射。電磁輻射強度與載荷有很好的一致性，隨著載荷的增加，電磁輻射強度也隨著增加，即強度越大，電磁輻射強度也就越大。

圖6 掘巷煤柱電磁輻射監測示意圖

采用中國礦業大學發明的電磁輻射儀器（KBD5型）對掘進工作面整個煤柱段進行定點監測，以及時掌握不同寬度護巷煤柱內電磁輻射值的變化情況，監測留設窄煤柱和寬煤柱時煤柱體的穩定性。現場在掘進巷道護巷煤柱段每隔10m 設置一個測點，布置完畢后，測試開始，在每個測點附近平均測量2min，KBD5型儀器將會對數據自動處理保存。電磁輻射測試過程如圖6。

對現場工業性試驗巷道護巷煤柱監測到的數據進行分析處理，可知在寬窄煤柱段電磁輻射平均值分別為26.9mV 和37mV，基本保持在較低的水平。從電磁輻射反映的結果可判斷留5 m 小煤柱和留30m 的寬煤柱護巷時煤柱內載荷均偏小，且相差不多，和理論數值模擬結果比較符合。但因留設30m 的寬煤柱護巷嚴重影響特厚煤層的采出率，浪費煤炭資源，因此采用小煤柱護巷可以更加合理的兼顧提高煤炭采出率和護巷的作用。現場工業性試驗段電磁輻射監測數據分析結果如圖7。

圖7 寬窄煤柱段現場電磁輻射數據

4 結論

（1）采用FLAC2D 模擬軟件研究了厚煤層條件下不同寬度煤柱體內垂直位移與應力分布情況，得出留設5m 左右的小煤柱與30m 以上的寬煤柱均能對巷道起到良好的保護作用。

（2）在躍進礦1210工作面掘進期間進行了現場工業性試驗，并采用KBD5 儀器采集電磁輻射數據進行了效果考察，結果表明留設5 m 左右的小煤柱也能穩定的起到護巷的效果。

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