斜溝礦大采高綜采面煤柱優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉銳軍

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝礦，山西 興縣 035300）

河?xùn)|煤田興縣斜溝井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體上為一走向近南北，傾向西的單斜構(gòu)造。傾角小于15°，一般為8～12°，主采8#、9#煤層，8#煤層厚度為5.95～16.68m，平均8.68m，為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單～復(fù)雜、層位穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層，是井田內(nèi)的主采煤層。斜溝煤礦18102綜采工作面采用一次采全高的大采高綜采技術(shù)，隨著礦井采掘深度不斷加大，回采工作面區(qū)段煤柱尺寸留設(shè)寬度也不斷增加，導(dǎo)致留設(shè)煤柱資源損失量逐年遞增。因此，確定合理的區(qū)段煤柱尺寸成為困擾斜溝礦回采工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的技術(shù)性問題。

1 綜采工作面礦壓規(guī)律分析

1.1 18102綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

通過對(duì)斜溝礦18102綜采工作面礦壓進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)礦壓測(cè)量值進(jìn)行分析，繪制出18102綜采工作面液壓支架礦壓顯現(xiàn)分布圖（圖1）。回采工作面礦壓顯現(xiàn)中部強(qiáng)于兩端，且在中部3次礦壓顯現(xiàn)后，兩端才發(fā)生1次基本頂斷裂，在基本頂出現(xiàn)斷裂與下沉?xí)r，工作面兩端上覆巖層動(dòng)載效應(yīng)將直接作用到護(hù)巷煤柱。

圖1 液壓支架礦壓顯現(xiàn)分布圖

1.2 工作面巷道變形規(guī)律實(shí)測(cè)

對(duì)18102回采工作面及相鄰18104工作面膠帶運(yùn)輸巷道等地點(diǎn)的礦壓監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行分析，繪制出工作面回采過程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板離層量和巷道收斂值變化曲線圖（圖2）。

通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)值的分析，膠帶運(yùn)輸巷在距離18104工作面30m內(nèi)礦壓顯現(xiàn)加劇，膠運(yùn)巷表面沒有發(fā)生片幫，而巷道兩幫收斂值增加達(dá)到325mm，巷道頂板下沉增加到235mm。輔助運(yùn)輸巷道在距18104工作面20m，受來壓影響變形加劇；距工作面80m，變形減小，巷道僅發(fā)生小量片幫現(xiàn)象，頂板下沉量為1905mm，巷道收斂值為2350mm。受來壓影響巷道形變量小，對(duì)當(dāng)前留設(shè)的30m巷道的煤柱尺寸有優(yōu)化的余地。

圖2 巷道收斂值變化曲線圖

2 煤柱留設(shè)數(shù)值模擬

2.1 模型建立

以18105工作面為背景，工作面留設(shè)煤柱尺寸為30m，工作面傾向長(zhǎng)度325 m。考慮8#、9#煤層綜采工作面交叉布置所導(dǎo)致的群采效應(yīng)影響，在模擬數(shù)值計(jì)算過程中分別在18105工作面上部布置17103和17104兩個(gè)綜采工作面。

為驗(yàn)證8#煤層回采工作面留設(shè)煤柱的合理寬度，在巷道布置和工作面長(zhǎng)度不改變的情況下，分3種計(jì)算方案：（1）回采工作面區(qū)段留設(shè)煤柱寬度30 m；（2）回采工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度25 m；（3）回采工作面留設(shè)煤柱寬度20 m。

2.2 工作面留設(shè)煤柱合理寬度模擬分析

為了確定合理的工作面區(qū)段煤柱尺寸，以斜溝礦煤巖體地質(zhì)力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行模擬計(jì)算，在巷道采掘過程中，采區(qū)開挖和頂板垮落回填，到巷道達(dá)到安全穩(wěn)定。分析比較留設(shè)煤柱寬度不同尺寸下彈塑性變形區(qū)及圍巖應(yīng)力的分布狀態(tài)，分析出留設(shè)煤柱的合理寬度。

在開采過程中，對(duì)回采工作面留設(shè)不同寬度煤柱的彈塑性變形進(jìn)行模擬分析，可以得出：留設(shè)煤柱寬度為30m，回采工作面塑性區(qū)寬度4m，巷道側(cè)塑性區(qū)寬度3m，煤柱的彈性區(qū)為15.3m；留設(shè)煤柱寬度25m，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度3m，巷道側(cè)塑性區(qū)寬度2.5m，煤柱的彈性區(qū)為10.5m；留設(shè)煤柱寬度20m，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度2.9m，巷道側(cè)塑性區(qū)寬度3m,彈性區(qū)為9.5m，達(dá)不到煤柱安全承載標(biāo)準(zhǔn)。

使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件計(jì)算得出，將18102工作面區(qū)段煤柱寬度由30m縮減為25m,煤柱所承載的壓力沒有發(fā)生較大變化，能夠保證礦井的安全回采,并提升斜溝礦的回采率。

3 煤柱載荷和寬度計(jì)算

3.1 煤柱載荷計(jì)算

鑒于斜溝礦的井下實(shí)際采掘情況，留設(shè)煤柱的總載荷主要是煤柱上覆巖層重力和煤柱兩側(cè)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的重力。如圖3煤柱載荷示意圖所示。

煤柱上的總載荷為：

式中：

p-煤柱上的總載荷，kN；

B-煤柱寬度，m；

δ-采空區(qū)上覆巖層垮落角，（°）；

γ-上覆巖層平均容重，kN／m3。

煤柱單位面積的平均載荷即平均應(yīng)力：

圖3 計(jì)算煤柱載荷示意圖

河?xùn)|煤田斜溝井田的煤種為低硫、中灰、高揮發(fā)分、高熱量、抗碎強(qiáng)度高的氣煤、中粘煤和焦煤，鑒于其煤質(zhì)較硬，在煤柱發(fā)生塑性變形后，煤柱的承載能力大幅減少，為保障煤柱安全的承載能力，在計(jì)算留設(shè)煤柱強(qiáng)度和剛度時(shí)，按煤柱彈塑性變形區(qū)計(jì)算。

3.2 煤柱寬度的理論計(jì)算

為保證留設(shè)煤柱強(qiáng)度和剛度，應(yīng)對(duì)煤柱所受的圍巖應(yīng)力進(jìn)行研究。采動(dòng)后，回采工作面煤柱兩測(cè)會(huì)形成彈塑性變形區(qū)，煤柱中央處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。煤柱保持在合理的彈塑性變形范圍內(nèi)，才能保證留設(shè)煤柱的安全穩(wěn)定性。煤柱在采空區(qū)的彈塑性變形區(qū)寬度分別為x0、x1，如圖4。

圖4 煤柱彈塑性變形區(qū)及圍巖應(yīng)力分布

煤柱保證安全穩(wěn)定性的寬度計(jì)算公式：

式中：

k-安全系數(shù)范圍，1.15～1.45；

M-煤層高度，m；

x0-開采側(cè)留設(shè)煤柱彈塑性變形區(qū)寬度，m；

x1-未開采側(cè)煤柱彈塑性變形區(qū)寬度，m。

式中：

γ-煤層容重，20kN/m3；

φ-煤層內(nèi)摩擦角，30°；

f-煤層間的摩擦因數(shù)，0.4；

τ-煤柱側(cè)向約束力，0.1MPa；

K-圍巖應(yīng)力集中系數(shù)，2.5；

H-煤層埋藏深度，476.5m；

C-煤體內(nèi)聚力，2MPa；

γ0-巷道等效半徑，4.5m；

γ1-巖體平均體積，30kN/m3。

將數(shù)值代入公式計(jì)算得出，x0=10.5，x1=2.03。留設(shè)煤柱合理寬度為25m。

實(shí)測(cè)8#煤層單軸抗壓強(qiáng)度為19.8MPa,當(dāng)留設(shè)煤柱寬度為30m時(shí)，煤柱所承載的平均載荷低；當(dāng)留設(shè)煤柱寬度為20m時(shí)，煤柱所承載的平均載荷高，大于煤柱的單軸抗壓強(qiáng)度，煤柱處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以當(dāng)留設(shè)的煤柱寬度為25m時(shí)較合理。

4 結(jié)論

（1）基于斜溝礦的水文地質(zhì)條件，通過對(duì)18102綜采工作面礦壓進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，得出受來壓影響，工作面中部礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)于兩端，巷道表面沒有發(fā)生嚴(yán)重片幫，在頂板出現(xiàn)斷裂與下沉?xí)r，工作面兩端上覆巖層動(dòng)載效應(yīng)將直接作用到護(hù)巷煤柱。

（2）18102回采工作面巷道頂板平均下沉量為21.5mm，巷道平均收斂量為26.5mm。巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷男巫兞啃。瑳]有發(fā)生較大范圍的片幫冒頂現(xiàn)象，表明煤柱的安全承載性好，為后期的優(yōu)化改造提供了空間。

（3）根據(jù)斜溝礦地質(zhì)資料和井下測(cè)量數(shù)據(jù)，基于壓力拱理論和威爾遜定理，結(jié)合淺埋煤層上覆巖層運(yùn)動(dòng)特征，通過使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)礦井壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、計(jì)算與分析為斜溝礦大采高綜采工作面區(qū)段合理煤柱尺寸的留設(shè)提供了數(shù)據(jù)和理論支持，模擬計(jì)算得出斜溝礦綜采工作面合理煤柱留設(shè)寬度為25m，并將工作面聯(lián)巷減少為原來的1/5,便于后期的維護(hù)與穩(wěn)定。并為地質(zhì)條件相似礦井的煤柱留設(shè)提供參考。