煤炭資源開采區段煤柱尺寸數值模擬研究

汪承亮　劉潔　周上苑　張成

摘 要：煤柱是保護巷道的重要手段，合理的煤柱寬度能保持工作面和巷道的穩定。本文以實際工程概況為依據，對M51煤層進行數值模擬研究，開挖11513工作面和11511工作面之間預留小煤柱護巷。在模擬的過程中對不同寬度煤柱上測點的應力和位移進行監測，為研究區段煤柱預留合理寬度提供實驗參數。通過模擬對比分析得知，6m和8m之間的位移和應力變化量最大，8m之后變化不大，所以煤柱寬度為8m時最穩定，在更經濟的條件下能夠較好的控制巷道的穩定性。

關鍵詞：區段煤柱;合理寬度;數值模擬

1 緒論

煤炭作為非常重要的礦產資源，其有效促進社會的快速發展。[1]特別在我國社會與經濟快速發展中做出了重要的貢獻。開采過程中，預留科學合理寬度的煤柱用來保護工作面回采巷道的安全與穩定，煤柱的區段寬度，不僅是衡量一個采區開采率的一個重要標準，也是煤炭安全生產的一個重要指標。[2，3]煤柱的穩定性受多方面因素影響，其中煤柱強度是其穩定性的主導因素。一般煤柱強度主要決定于煤柱的寬高比、煤巖體巖性以及煤層覆巖對煤層的壓力等。[4，5]國內外也對區段煤柱進行了大量研究，柏建彪等[6]計算分析了綜放沿空掘巷圍巖變形及窄煤柱的穩定性與煤柱寬度、煤層力學性質及錨桿支護強度之間的關系;謝廣祥等[7，8]通過理論分析、數值模擬、現場實測等方法，得出了綜放面區段煤柱傾向支承壓力的分布規律。李慶[9]對區段合理煤柱寬度的數值模擬與研究讓我們受到啟發，劉聚友等[10]對不同傾角煤層區段煤柱圍巖變形進行了研究。由于貴州地區喀斯特地區的特殊性，對于近距離煤層中煤柱寬度合理性要做進一步研究和完善。本文對煤礦開采過程中存留的區段煤柱寬度等問題進行分析，并提出一些切實可行的措施，保證采集煤礦的開采率的同時實現安全生產。

2 工程概況

貴州省大方縣某煤礦屬整合礦井，開采深度：500m—600m。可采煤層有M51號煤層、M73號煤層。M51號煤層，位于龍潭組中部，煤層上距龍潭頂界70—80米，下距M73煤層50—60米，厚度穩定，煤巖肉眼特征為灰黑色深黑色半暗至半亮型煤，以亮煤為主，夾鏡煤和暗煤，細條帶狀結構，塊狀構造，似金屬光澤，貝殼狀、階梯狀斷口，煤巖硬度相對較大，整體上塊度較好。直接頂板為粉砂巖、泥質粉砂巖，易風化崩解，遇水易膨脹、軟化，為不穩定頂板。底板為粘土質粉砂巖、炭質粘土巖及粘土巖。現開采M51號煤層二采區11513工作面，11513工作面和11511工作面之間預留小煤柱護巷，為了保證覆巖穩定性，合理的煤柱寬度為本文研究的重點。

3 數值建模

以11513工作面和11511工作面為建模背景，選取預留煤柱寬度為4m、6m、8m、10m、12m，5組數據進行模擬計算，研究兩個工作面挖掘后煤柱上測點的位移和應力變化，得到研究參數和結果。

3.1 開挖方案

3.2 開挖工作面后在煤柱內部進行測點布置

取煤柱上方所有的點作為測點，分別為5、7、9、11、13個測點，然后分析測點的應力和位移的變化，從而得到不同寬度煤柱之間的變化規律。如圖1：

3.3 區域柱狀如圖2所示

3.4 巖層力學參數參照如下

4 云圖分析

由6m垂直應力示意可知，工作面最大應力發生煤柱上，最大值為46.8Mpa，工作面另一側應力最大值發生在距離采空區約7m處，最大值為42.3Mpa;8m規律大致相同，煤柱上最大應力為45.2Mpa，工作面另一側應力最大值43.5Mpa。

由6m垂直方向位移示意可知，工作面最大的變形發生在工作面頂板處大約為4.5m，全部變形垮塌。煤柱上的變形達到3.5m，所以說6m煤柱不能很好的保護巷道。而從8m垂直方向位移示意可知，煤柱上最大變形只有1.5m左右，能夠有效的保持巷道的穩定性。

5 對比分析

（1）Y方向上不同寬度煤柱應力變化對比圖：

由Y方向上不同寬度煤柱應力變化對比圖可知，4m煤柱不足支撐工作面，導致坍塌，所受應力變化和上覆巖層所受應力變化是基本一致的，而6m所受應力達到峰值58MP，但也只有小部分，其他地方也發生了坍塌。隨著煤柱寬度增大所受應力反而減小。應力主要集中在煤柱中間。并且有少部分的高應力區。8m之后應力變化都不大，8m最大應力為45.2Mpa，10m最大應力為46.3Mpa，12m最大應力43.5Mpa，所以留設的煤柱至少大于等于8m。

（2）Y方向上不同寬度煤柱位移變化對比圖：

依據y方向上不同寬度煤柱位移的對比圖可以看出，隨著煤柱寬度的增大，明顯的看到煤柱在y方向上的位移值減小。4m時的最大位移值為3.7m，6m時的最大位移值為3.5m，留設8m時最大位移值減小到了1.4m，這里變化量最大。而后面煤柱位移值變化比較小，所以說煤柱應該大于等于8m。

6 總結

本文運用FLAC數值模擬軟件對貴州省大方縣某煤礦進行模擬分析，得到結論如下：

（1）建立了M51號煤層工作面區段煤柱留設的數值模擬模型，模擬了4m、6m、8m，10m、12m，5種煤柱寬度留設方案。

（2）分析了不同寬度煤柱垂直方向的應力和位移的變化規律，確定M51號煤層區段煤柱寬度不小于8m。隨著煤柱的寬度不斷增加，煤柱所受應力逐漸減小，在8m后變化就不大了，位移4m和6m變化比較大在3.5m左右，表現為坍塌，在8m后位移減小到了1.5m以下，后面變化不大。煤柱寬度對巷道的頂板下沉和應力分布有非常大的影響，合理的煤柱寬度能有效減緩或避免上覆巖層變形和滑落。8m的煤柱寬度能比較好的保持巷道的穩定性。

參考文獻：

[1]謝和平，劉虹.煤炭革命不是“革煤炭的命”[N].上海科技報，2015-03-04.

[2]繆協興，錢鳴高.中國煤炭資源綠色開采研究現狀與展望[J].采礦與安全工程學報，2009，26（1）：1-14.

[3]王文淵.潞安西部礦區深部煤層工作面合理煤柱留設研究[D].太原：太原理工大學，2014.

[4]焦志強，史昭展，李林書.安源煤礦綜采工作面內煤柱寬度的理論計算[J].煤礦安全，2013，44.

[5]劉濤.綜采工作面及兩巷礦壓特征的數值模擬[J].山西能源學院學報，2017，30（4）：9-11.

[6]柏建彪，王衛軍，侯朝炯，等.綜放沿空掘巷圍巖控制機制及支護技術研究[J].煤炭學報，2000，25（5）：478-481.

[7]謝廣祥，楊科，劉全明.綜放面傾向煤柱支承壓力分布規律研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25（3）：545-549.

[8]謝廣祥，楊科，常聚才.煤柱寬度對綜放面圍巖應力分布規律影響[J].北京科技大學報，2006，28（11）：1005-1008.

[9]李慶.區段合理煤柱寬度的數值模擬與研究[J].山東煤炭科技，2019.

[10]劉聚友，張伏龍，樊自輝，張波.不同傾角煤層區段煤柱圍巖變形數值模擬研究[J].山西煤炭，2013.

作者簡介：汪承亮（1997-），男，侗族，貴州人，貴州理工學院礦業工程學院學生。