辛置煤礦2-104綜放工作面合理留設煤柱尺寸研究

姚建偉

（山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦 ，山西 霍州 031412）

現階段，國內外大多數煤礦依然采用留設煤柱的方法來保護采準巷道[1-2]。留設保護煤柱的資料浪費率就達到了35%以上。采準巷道作為綜放回采工作面的咽喉，其安全狀況影響著工作面的正常生產，決定著礦井的經濟效益，而合理區段煤柱的留設決定著采準巷道的安全與維護狀況。因此，綜放工作面采準巷道應當合理留設煤柱，既能有利于巷道的維護，又能節約煤炭資源，提高煤炭的利用率[3-4]。

1 工作面概況

辛置煤礦2-104工作面位于一采區采區巷道前進方向右翼，北部為礦井三條大巷，南部為設計的2-105工作面，西部與同煤集團寺塔煤礦相鄰。工作面標高+285～+305m，走向長度639m,傾向長度180m。工作面主采煤層2#煤層，煤層厚度5.2m。工作面沿煤層傾向布置，所有順槽沿煤層底板布置，采用綜采放頂煤開采方法。

2 煤柱寬度穩定性影響因素及破壞形式

2.1 煤柱寬度影響因素分析

綜放工作面采準巷道煤柱寬度的影響因素主要受內在因素與外部因素的共同影響，其中外部因素主要受地質因素的影響；內在因素主要由區段煤柱強度寬高比決定。由于煤柱一側為回采工作面，另一側為采準巷道，因此，煤柱兩側支承壓力的影響會形成塑性變形區。當煤柱寬度較小時，煤柱所能承載的強度較低，煤柱易出現變形破壞。煤柱內部會產生一個側向約束分力并且隨著煤柱寬度的增大，來減小煤柱所受到破壞程度。但是，這個力并不是隨著煤柱寬度的增大無限增大，而是增加到一定值后保持穩定，煤柱寬度無限增大也會導致資料的浪費，因此，對于煤柱寬度應當設計合理尺寸。

2.2 煤柱破壞形式分析

煤柱變形破壞主要是由于上覆巖層垂直應力作用在煤柱，煤柱兩側煤體由彈性狀態轉化為塑性狀態，煤柱受垂直應力的影響而破壞[5-6]。對于煤柱的破壞形式主要由剪切破壞、縱向破壞和沿弱面破壞。煤柱最大集中應力在距煤柱邊緣一定深度內，煤柱寬度留設過小時，兩側煤柱的集中應力會疊加，加速煤柱破壞，易發生礦壓災害。

3 煤柱合理留設尺寸理論分析

3.1 煤柱應力分布規律

綜放工作面區段煤柱的寬度影響著采準巷道和回采環境的穩定與資源的利用率。區段煤柱受工作面回采的影響，煤柱邊緣由彈性狀態轉化為塑性狀態。如果要保持煤柱的穩定性來說，應當計算出煤柱彈性區域的范圍，根據以往的研究結果可知，煤柱中部2M范圍為彈性區域，因此，對保證區段煤柱穩定范圍為：

式中：x0為采準巷道塑性區域范圍；R為回采空間塑性區域范圍；2M為煤柱中部彈性區域范圍，其中M為采高。

工作面回采使煤柱內應力狀態重新分布，對于煤柱邊緣來說，受支承壓力影響，煤柱邊緣形成應力集中區，其應力大小數倍于原巖應力γH，煤柱邊緣由彈性狀態轉化為塑性狀態，其強度變低，煤柱邊緣受力影響產生破壞，隨著工作面逐漸向前回采，應力集中區逐漸向煤柱深部轉移，支承應力曲線成拋物線狀態，當支承應力與煤柱所能承載應力平衡時，煤柱不在受支承應力影響，處于平衡穩定狀態。煤柱應力區域分布示意圖如圖1所示。

圖1 煤柱支承應力區域分布示意圖

3.2 煤柱留設合理尺寸

綜采工作面回采后煤柱采準巷道一側也將成為采空區，由圖1可以看出，煤柱兩側塑性區的范圍基本相同，因此，可以近似x0=R，根據巖石力學極限平衡理論可以得出塑性區的范圍為：

式中：K為應力集中系數，一側采空取值2.5，兩側采空取值4。P為煤柱的阻力，一般取值0；M為采高；H為采深；C為煤柱內粘聚力，一般取值0.45～0.75；φ為內摩擦角；f為煤柱與頂底板接觸摩擦系數，一般取值0.125；ξ為三軸應力系數，ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)

依據辛置煤礦2-104工作面地質條件以及相關參數，根據以上公式，取工作面埋設300m，計算得辛置煤礦2-104工作面煤柱合理寬度為27m。

4 煤柱應力破壞數值模擬

4.1 模擬方案

采用FLAC2D數值模擬軟件對辛置煤礦2-104綜放工作面煤柱合理留設尺寸進行數值模擬，分別對工作面煤柱寬度 3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、20m、25m、30m、35m進行模擬研究。以辛置煤礦2煤層工作面地質資料為基礎，設定煤層埋深約300m，建立模型大小為150m×100m，分別代表所取模型的長、寬。模型采用摩爾—庫倫強度準則，前后左右及下邊界固定。因模擬復合弱結構對應力分布的影響，故設定各巖層及弱結構力學參數見表1。

表1 模型各巖層力學參數

根據辛置煤礦2-104工作面地質條件和參數，建立如圖2所示的數值模擬模型。

圖2 工作面不同煤柱寬度模擬模型

4.2 模擬結果分析

采用FLAC2D軟件對模擬模型在Y方向施加12.5MPa垂直載荷，得出不同煤柱寬度Y方向應力云圖，如圖3所示，同樣可以得出不同煤柱寬度位移變化圖，如圖4所示。

圖3 不同煤柱寬度Y方向應力云圖

由圖3、圖4可知，辛置煤礦2-104綜放工作面煤柱寬度為3～5m，煤柱所能承載的支承壓力小，煤柱被壓實后，其應力逐步向回采空間內實體煤深部轉移，在實體煤內部會形成應力集中，上覆巖層的垂直應力主要由實體煤承擔；而隨著煤柱寬度逐漸增大，煤柱所能承載的應力逐漸增大，當煤柱寬度為11～35m時，煤柱所能承載的上覆巖層垂直應力大，由煤柱兩測邊緣逐漸向煤柱中部轉移。

圖4 不同煤柱寬度Y方向位移示意圖

由圖4可以看出，隨著工作面采準巷道煤柱寬度的逐漸增大，煤柱上支承應力逐漸增大，因此，煤柱承載能力隨煤柱寬度的增加逐步增大，2-104綜放工作面回采空間內煤體應力逐漸向煤柱深部轉移。隨著煤柱寬度的不斷增大，當煤柱寬度增大到峰值時，其所能承載的支承應力大小為峰值，此時煤柱承載的應力最大，容易發生礦壓等地質災害。當煤柱寬度繼續增大到30m以上時，煤柱內支承應力的大小又呈現減小的趨勢，主要原因是煤柱自身已經能承載上覆巖層的垂直應力，煤柱此時能夠起到起到保護巷道和回采空間的能力。由圖3、圖4可知當煤柱寬度為25～30m之間時，煤柱能夠承載上覆巖層的垂直應力，能夠保護采準巷道和回采空間。

5 結 論

1）分析了煤柱寬度的影響因素主要受內在因素與外部因素的共同影響，其中外部因素主要受地質因素的影響，內在因素主要由區段煤柱強度寬高比決定。并分析了煤柱主要有剪切破壞、縱向破壞和沿弱面破壞三種破壞形式。

2）對煤柱合理留設尺寸進行理論分析，分析了煤柱應力分布規律，煤柱應力呈現由煤柱邊緣向煤柱深部先增大后減小，最后趨于穩定的形式。并通過辛置煤礦2-104工作面地質參數，計算該工作面煤柱留設合理尺寸為27m。

3）對采用FLAC2D數值模擬軟件對辛置煤礦2-104綜放工作面煤柱合理留設尺寸進行數值模擬，分別對工作面煤柱寬度 3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、20m、25m、30m、35m進行模擬研究，得出Y方向應力云圖和Y方向位移曲線圖，驗證該工作面合理留設尺寸和應力分布規律。