西曲礦淺埋硬頂大采高工作面煤柱寬度優化研究

柴銀亮

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦， 山西 古交 030203）

我國長壁開采為保護工作面回采巷道的安全與穩定，通常在工作面與工作面之間留有一定寬度的保護煤柱。工作面采用綜放開采時，工作面外的煤炭損失占采區總損失的61%，而僅區段煤柱的損失量就占到36.7%，而且隨區段煤柱寬度的增大而增加[1]。

1 煤柱留設現狀

目前，我國煤礦對于區段間煤柱留設主要有以下幾種：

1）留設大煤柱[2]，煤柱寬度大于30 m，目的使兩個區段間的煤柱中存在彈性應力核保證上下區段的采動互不影響，但是該種方式大大浪費煤炭資源。

2）留設小煤柱[3]，煤柱寬度10～30 m，受地質條件影響，此時在煤柱中易形成疊加應力區，造成煤柱破壞，同時煤炭損失也較大。

3）無煤柱開采[4]，即沿空掘巷和沿空留巷方式，目前該開采技術在國內礦井使用較多，大幅度提高了采區回采率，符合“綠色采礦”宗旨。

為研究合理為留設煤柱尺寸，本文通過FLAC3D數值模擬軟件，以西山煤電集團西曲礦為原型，建立模型來模擬計算不同尺寸煤柱的應力、位移情況，來選取合理的煤柱尺寸。

2 數值模擬

2.1 工程概況

山西西山煤電股份有限公司西曲礦（全文簡稱西曲礦）位于太原市古交區，18503 工作面主采8 號煤，煤層頂部普遍含有一層厚度為0.2 m 的炭質泥巖偽頂，直接頂為厚度2.4 m 的石灰巖。頂板總體屬硬質巖，穩定性好。直接底為厚度1.5 m 的細砂巖，老底為厚度3.1 m 粉砂巖。工作面頂底板綜合柱狀圖如圖1 所示。工作面巷道支護示意圖見圖2。

圖1 工作面頂底板綜合柱狀圖

圖2 巷道支護示意圖（mm）

2.2 模型建立

工作面巷道尺寸為5 m×3.5 m（跨度×高度），為盡量減少邊界條件對計算結果的影響，長度設計為100 m，寬度為16 m，高度為25 m。右側定為采空區，左側即為18503 工作面沿空掘巷煤柱留設。避免巷道開掘的影響，模型在左右邊界水平方向限制移動，上邊界無限制而下邊界在垂直方向限制移動。選擇摩爾-庫倫理論計算模型, 數值模型如圖3 所示。

圖3 模型圖

2.3 模型主要參數

根據西曲礦地層綜合柱狀圖以及相關巖層巖樣的物理性質，通過合并部分厚度窄小巖層，簡化模型頂板為石灰巖、中砂巖、細砂巖，底板為細砂巖、粉砂巖、中砂巖，模擬物理性質參數見表1。

表1 巖石力學參數表

2.4 模擬方案設計

參考礦井煤柱經驗尺寸，通過對比不同尺寸的煤柱、巷道的應力、位移和破壞狀況，通過模擬計算，模擬對比寬度為5 m、7 m、9 m 三種尺寸的窄煤柱工況。

圖4 不同煤柱寬度塑性區分布規律

2.5 計算結果與分析

圖4 為不同煤柱寬度塑性區分布圖，通過對比可知：

1）煤柱寬度為5 m 時（圖5-1，5-2），彈性區范圍達到1.5 m，工作面巷道兩幫移近量大且變形嚴重，故煤柱寬度為5 m 時不能維持巷道穩定。因此，需要繼續增加煤柱留設寬度。

2）煤柱寬度為7 m 時（圖5-3，5-4），彈性區達到5 m，巷道塑性拉伸破壞單元較少，說明煤柱寬度按7 m 留設合理。

3）煤柱寬度為9 m 時（圖5-5，5-6），彈性區達到7 m，此時工作面巷道兩幫相對移近量較小，說明煤柱寬度按9 m 留設合理。

圖5 為不同煤柱寬度位移分布圖，通過對比可知：

圖5 不同煤柱寬度位移分布規律

1）煤柱寬度為5 m 時的巷道最大水平位移最大達到了3.3 m，巷道垂直位移最大量為1.0 m（圖6-1，6-2），已經影響到了該巷道的正常使用，模擬結果表明煤柱寬度為5 m 時不能維持巷道穩定。因此，需要繼續增加煤柱留設寬度。

2）煤柱寬度為7m 時的巷道最大水平位移為0.67 m，巷道垂直位移最大量為1.0 m（圖6-3，6-4），說明支護效果較好、煤柱寬度留設合適.

3）煤柱寬度為9 m 時（圖6-5，6-6），巷道最大水平位移為0.67 m，巷道垂直位移最大量為1.0 m，位移量較小。

圖6 為不同煤柱寬度應力分布圖，通過對比可知：

圖6 不同煤柱寬度應力分布規律

1）煤柱寬度為5m 時的巷道最大水平應力為13.8 MPa，垂直應力最大量為7.4 MPa。

2）煤柱寬度為7 m 時的巷道最大水平應力為15.0 MPa，垂直應力最大量為12.8 MPa。

3）煤柱寬度為9m 時，最大水平應力為14.0 MPa，垂直應力最大量為12.6 MPa。

通過以上數值模擬計算結果分析，煤柱寬度為5 m 時巷道無法滿足正常安全使用，煤柱留設7 m、9 m 時，巷道變形量較小可以正常使用，考慮到經濟因素，根據模擬結果最終選定煤柱最優寬度為7 m。

3 結語

根據西曲礦18503 工作面的地質概況和以往支護方案，針對工作面煤柱尺寸優化問題，建立了數值模擬模型和模擬方案，對煤柱進行三種寬度為5 m、7 m、9 m 的對比模型。通過對煤柱進行三種不同寬度的對比情況下的圍巖應力和應變進行模擬。綜合考慮工作面安全與經濟方面，模擬結果表明當煤柱留設最佳尺寸為7 m。