綜采工作面煤柱合理留設寬度的確定

高飛

【摘 要】 工作面在開采過程中煤柱合理留設寬度對礦山提高回采率及巷道圍巖穩定性具有重要作用，本文以某礦為研究背景，采用數值模擬的方法對工作面開采過程中煤柱垂直應力、水平應力進行研究，得出煤柱留設的合理寬度。研究表明：煤柱垂直應力變化表現出先增加后減小的特征，即隨著煤柱寬度的增加應力呈現雙峰變化;水平應力隨著煤柱寬度的增加而增大，呈現單峰變化;煤柱寬度范圍在14-16m。本研究成果可為類似地質條件下煤礦安全開采及巷道合理支護提供依據。

【關鍵詞】 煤柱寬度;數值模擬;垂直應力;水平應力

【中圖分類號】 TD823 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）03-0001-02

本文以某礦為工程背景，利用FLAC3D數值模擬軟件對煤柱垂直應力、水平應力進行分析，得出煤柱合理寬度的留設范圍。本文研究為類似條件下開采提供一定的科學依據。

1工程背景

本文以山西某礦為工程背景，礦井埋深為200m，煤層一次采全高，開采厚度為5m，頂板以粉砂巖、泥巖為主，直接頂厚度為2m，基本頂厚度為8m。綜合柱狀圖如圖1所示。

2數值模型建立及研究方案

2.1數值模型建立

以某工作面為研究對象，該采區工作面煤柱寬度為18m，巷道寬為5m，高為4m，模型尺寸500m×120m×100m，上覆巖層厚度為100m、側壓力系數為1.2，容重為22.54kN/m3。模型四周為固定邊界，底面固定，模型上面為自由面。煤礦巖體物理力學參數如表1所示。

2.2研究內容

通過采用FLAC3D數值模擬分析軟件進行數值模擬，對采動過程中不同寬度的煤柱所引起的圍巖應力變化規律分布及圍巖應力破壞對巖體特征的影響進行了研究和分析，最終確定最佳留設煤柱寬度。分別選取工作面區段煤柱寬度為10m、12m、14m、16m、18m、20m進行分析。

3實驗結果及討論

圖2是不同煤柱寬度下，煤柱內部垂直應力的變化曲線圖。

由圖2可知，不同煤柱下的垂直應力是隨著回采長度的變化進行動態變化的一個過程，當采掘工作面距監測點20m至-15m時，垂直應力增長速度加快，在靠近采空區位置附近達到峰值，不同煤柱寬度下的垂直應力曲線基本呈現雙峰值曲線。隨著回采面的掘進，煤柱的塑性區出現了動態變化，當煤柱寬度為14m，掘進工作面推進距離0m，煤柱位于采空區附近時，煤柱的塑性區約為0-3.8m，彈性區約為0-8.2m，煤柱具有較好的承壓能力;當煤柱寬度為16m，掘進工作面推進距離0m，煤柱位于采空區附近時，煤柱的塑性區約為0-2.8m，彈性區約為0-9.7m，承重能力較好;當煤柱寬度大于16m小于14m時塑性區和彈性區范圍縮小，承重能力降低，故最佳煤柱寬度為14-16m。煤柱內部的塑性區和彈性區的范圍分布是一個動態變化。

圖3是不同煤柱寬度下，煤柱內部水平應力的變化曲線圖。

由圖3可知，不同煤柱下的內部水平應力曲線圖的形狀大致相同，水平應力的曲線圖形狀是明顯的單峰形狀且水平應力曲線呈對稱分布。不同寬度煤柱下的回采寬度水平應力曲線是隨著監測點回采長度的變化而進行動態變化的一個過程，當采掘工作面距監測點20m至-15m時，水平應力逐漸地增大，在采掘工作距離監測點回采空區中間的位置附近達到水平應力峰值。

煤柱內部兩側的水平應力偏差較大，當距離采掘面20-5m時，煤柱的水平應力比距離采掘面-5至-15m時小，水平應力值隨著煤柱的深度逐漸增大，煤柱的彈性區整體變化不大，塑性區隨著不同煤柱寬度逐漸增大。不同煤柱寬度下的煤柱內部水平應力值變化基本不大，大致在1.2-1.8MPa上，即使水平應力值隨著工作面推進長度而不斷發生變化，但是由于水平應力值較小，造成的影響范圍也較小。

4結論

煤柱留設寬度不同，垂直應力、水平應力表現出不同的變化特征。隨著煤柱寬度增加垂直應力呈現先增加后減小的特征，呈雙峰狀;水平應力隨著煤柱寬度的增加而增大，呈單峰狀。

通過對不同煤柱寬度垂直應力和水平應力變化規律分析得出煤柱寬度為14-16m范圍內，煤柱具有很好的承載能力，穩定性高。

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