淺埋煤層綜放工作面沿空窄煤柱護巷試驗研究

李志軍，李川田

（1.中煤平朔集團井東煤業公司，山西朔州 036800；2.太原科技大學環境與安全學院，太原 030024）

淺埋煤層綜放工作面沿空窄煤柱護巷試驗研究

李志軍1，李川田2

（1.中煤平朔集團井東煤業公司，山西朔州 036800；2.太原科技大學環境與安全學院，太原 030024）

以井東煤業有限公司44304綜放工作面為工程背景，研究了沿空留巷掘進中留設煤柱寬度的問題，建立了工作面沿空護巷煤柱靜載作用下力學模型，理論計算出臨界煤柱寬度9.6m，同時采用數值模擬的方法，模擬不同煤柱寬度下巷道頂底板移近量、兩幫移近量及最大主應力分布的變化規律，取各參量的最大值為分析判斷合理煤柱寬度留設的參考標準，綜合優選出工作面沿空護巷的窄煤柱寬度為10m。

淺埋煤層；沿空留巷；煤柱；煤體強度

綜放工作面開采沿空掘巷煤柱的留設對于提高煤炭采出率、快速成巷和巷道維護等具有重要意義[1]。寬煤柱的留設，圍巖應力集中程度小，可以保證成巷速度與服務時間，巷道維護簡單；煤柱留設過窄，雖然煤層采出率提高，但受采動影響，煤柱的快速變形減少了有效服務時間，同時增加了巷道維護難度，二次支護增加了煤炭采出成本[2-3]。因此，復雜地質條件下，沿空窄煤柱的留設成為煤炭企業高產高效的關鍵技術。目前，對于淺埋煤層的煤柱寬度留設研究較少，文中嘗試采用理論計算及數值模擬的方法,針對這種典型的地質條件下留設窄煤柱寬度進行了研究。

1 試驗工作面概況

中煤平朔集團井東煤業有限公司44304工作面位于井田西南部，工作面北部為44303工作面采空區，南部為兩條南北方向的探巷，東部為4號煤邊角煤回收區輔運、主運大巷，西部為與二鋪二礦的公共礦界。地面標高+1 465～+1 492m，44304工作面標高+1 248～+1 260m。44304工作面采用綜合機械化放頂煤一次采全高回采工藝，走向長度280m，傾斜長度241m，主采4號煤層，平均煤厚11.6m，屬中硬煤層（普式硬度值f值1.5左右），上覆巖層特性如表1所示。

2 沿空巷煤柱力學模型分析

工作面沿空巷煤柱受力示意圖，見圖1。

沿空巷所留煤柱上載荷集度等于覆巖荷重，載荷寬度為煤柱臨界寬度W與巷道寬度B之和，則煤柱上的靜載集度q為

式中：H為煤層埋深，138m；γ為覆巖容重，取21.64 kN/m3；W為煤柱寬度，m；B為巷道寬度，5.2m。

煤的強度測試實驗證明，煤的強度很大程度上取決于試件的尺寸和形狀，隨立方體試件邊長尺寸增加，煤的強度按指數規律減小，并達到漸進值。故煤柱的強度同樣存在著尺寸形態效應[4]。當煤柱強度與煤柱所承擔的靜載集度相等時，此時煤柱寬度W為臨界寬度。依據Bieniawski煤柱強度計算公式得出關于煤柱臨界寬度與載荷、煤體抗壓強度等的關系式[5]：

式中：σc為實驗室試件單軸抗壓強度，12 MPa；h為巷道高度，3.5m。

計算得出，臨界煤柱寬度W=9.6m。

3 沿空巷煤柱優選數值模擬

3.1 數值模型建立

根據44304綜放工作面頂底板巖層賦存狀況及布置，基于快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D，建立工作面三維沿空巷道力學數值分析模型。模型的尺寸長×寬×高=300m×160m×145m，上覆巖層厚度取100m，垂直應力為2.5 MPa，水平應力取為0.45 MPa，各巖層巖體力學條件如表1所示。模型的兩側邊界為水平位移約束，底部邊界為固定位移約束，模型計算分析采用摩爾庫侖準則（Mohr-Coulomb），即

式中：σ1、σ3分別是最大和最小主應力，MPa；c是材料的粘結力，MPa；φ是材料的摩擦角，°。

開挖巷道為矩形狀，規格為：寬×高=5.2m×3.5m。對工作面不同寬度煤柱留設的幾種方案進行模擬：6m、7m、8m、9m、10m、11m和12m，分析各種情況下，沿空巷道頂底板移近量、兩幫收斂量及最大主應力的變化規律，優選出合理煤柱寬度。

3.2 模擬結果分析

不同寬度煤柱寬度留設下，沿空留巷開挖模擬結果，見圖2。圖2分別為煤柱寬度6m、8m、10m和12m變化時，巷道頂底板移近量、兩幫移近量及最大主應力分布。取不同煤柱寬度下，模型穩定后，巷道頂底板、兩幫移近量及應力最大值為分析判斷合理煤柱寬度的參考標準，其變化曲線見圖3。

1）沿空巷的不同寬度煤柱留設時，圍巖水平、豎直移動及應力變化均有不同程度差異，其中煤柱寬度變化6～8m和8～10m兩種情況下，各參量分布差異較大；煤柱寬度10～12m變化時，各參量分布差異不明顯。

2）隨煤柱寬度的增加，巷道頂底板相對移近量、兩幫相對移近量及最大主應力值變化均逐漸減小，并呈現出逐漸穩定的趨勢。煤柱寬度的增加，煤柱內最大主應力減少，即應力集中程度減小，當煤柱留設大于一定寬度時，而礦壓顯現程度減弱。工程實際中表現為：煤柱留設寬度的增加，沿空巷受相鄰工作面采動影響減小，礦壓顯現不明顯。

3）沿空巷窄煤柱由6m增加12m變化時，巷道頂底板相對移近量變化33.5～36.3mm，兩幫相對移近量變化139.0～165.6mm，最大主應力值變化6.7～5.9 MPa，曲線呈現出凹函數的遞減趨勢，各參量的變化率逐漸減小，即礦壓顯現程度變化減小。煤柱寬度小于10m時，巷道頂底板移近量、兩幫移近量及最大應力值均急劇變化，而煤柱寬度大于10m時，各參量變化相對較為平緩。

綜上數值分析結果，考慮盡量減少煤柱損失、保證一定的回采率，同時選擇巷道礦壓顯現程度較弱的情況，即成巷安全可靠，保證巷道服務年限內正常使用，煤柱寬度選為10m。

4 結論

1）建立了工作面沿空巷煤柱承載力學模型，計算出煤柱的臨界寬度為9.6m。

2）通過數值模擬計算不同煤柱寬度下巷道頂底板移近量、兩幫移近量及最大主應力的變化規律，得出煤柱為10m時較為合理。

3）綜合理論計算及數值模擬結果，優選出井東煤業有限公司44304綜放工作面沿空巷窄煤柱寬度為10m。

[1]張少杰,王金安,吳豪偉,等.綜放開采合理護巷煤柱寬度研究[J].中國礦業，2012，21（3）：52-55.

[2]李龍,丁國立.大傾角綜放開采區段煤柱與圍巖結構特征研究[J].山西煤炭，2014，34（5）：29-31.

[3]賈喜榮.巖層控制[M].北京：中國礦業大學出版社，2011.

[4]賈喜榮,王麗.回采巷道煤柱臨界寬度理論計算方法[J].太原理工大學學報，2011，42（1）：102-103.

[5]曹虎斌.潞寧煤業沿空掘巷煤柱尺寸及變形控制研究[J].山西煤炭,2014,34(3):23-25.

Test on Roadway Protected by Narrow Coal Pillars along Gog-side Entry Retaining on Fully-mechanized Mining Face of Shallow Coal Seam

LI Zhijun1,LI Chuantian2
(1.Jingdong Coal Co.,Ltd.,ChinaCoal Pingshuo Group,Shuozhou 036800,China; (2.College of Environment and Safety,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024, China)

Taking No.44304 fully-mechanizedmining face in Jindong Mine as engineering background,the width of coal pillars along gob-side entry retaining was studied.Under static load,amechanicalmodel was established.The critical value of the pillar width was obtained by theoretical calculation.In addition,the variation of roof-floor displacement,two-side displacement,andmaximum stress distribution under different widths of pillars were studied by numerical simulation.Themaximum value of each parameter was used as the reference standard to judge the rationality of the width of coal pillars.Finally,the narrowcoal pillars width was determined tobe 10mbyintegrated optimumselection.

shallowlyburied coal seam;gob-side entryretaining;coal pillars;coal strength

TD322

A

1672-5050（2015）05-0027-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.010

（編輯：樊敏）

2015-05-21

太原科技大學校青年基金（20133003）

李志軍（1976-），男，山西朔州人，大學本科，工程師,從事煤礦生產技術管理工作。

李川田（1975-），男，講師，（Tel）13834208981