小煤柱開采合理寬度的最優設計

寇海萍

(晉能控股煤業集團同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037003)

引 言

煤炭資源一直以來在我國能源結構中占據主導地位，而且在未來幾十年內煤炭資源仍然是我國的支柱性能源。作為一種不可再生資源，提高煤炭資源的利用率和采出率時煤礦企業關注的話題。因此，當前許多煤礦均將傳統的寬煤柱護巷方式改進為小煤柱護巷，旨在提高綜采工作面的回采率[1]。而小煤柱巷道的留設寬度與工作面地質及頂底板情況相關，若其尺寸設計不合理往往會導致影響工作面的安全生產。因此，本文將基于FLAC3D數值模擬軟件對小煤柱巷道的留設寬度進行合理設計。

1 工程概況

本文以5101工作面的3#煤層的開采為例開展小煤柱開采方式在其應用。3#煤層的厚度范圍為3.21 m～7.23 m，平均厚度為5.75 m，煤層中主要以暗煤為主，中間夾雜著矸石。煤層的傾角范圍為11°～23°。總之，5010工作面3#煤層頂板穩定性較差，硬度及強度較小。5101工作面3#煤層頂底板情況，如表1所示。

表1 5101工作面3#煤層頂底板情況

2 小煤柱開采的可行性分析

對于煤柱開采方式而言，在實際開采過程中影響其煤柱穩定性的根本原因在于煤柱的強度，其與煤層傾角、地質條件、圍巖結構等。在眾多影響因素中，以煤柱留設寬度與高度的比值最為明顯。從理論上分析，當煤柱寬高比值較小，對應煤柱的強度值較小；當煤柱寬高比值較大時，在實際生產中煤柱在頂底板作用力的影響下會產生一個抵抗力，使得煤柱處于平衡狀態[2]。經研究可知，當煤柱寬高比越大，其抵抗變形的分力會越大直到增加到一定程度后保持不變。

目前，5101工作面3#煤層采用雙巷布置方式進行開采，且當前開采方式下對應的煤柱寬度約為50 m。在長期開采下，5101工作面巷道變形較為嚴重，且對應工作面圍巖的破壞程度更加嚴重。具體分析，可將工作面的應力分布劃分為四個區域，具體闡述如下：

1) 在煤層上方的破碎區，也稱為采動影響區，該區域的變形主要集中體現于距離采空區2 m處的煤柱，此處的煤柱已經失去應有的承載能力；

2) 過渡區：隨著工作面的不斷推進，過渡區對應煤柱的應力呈現先增大或減小的變化趨勢，該區域煤柱具有較高的承載能力，具備應有的承載能力；

3) 穩定區：該區域受采動的影響較小，該區域煤柱的結構最為穩定且對應承載能力最強；

4) 錨固支護區：該區域煤柱受到采動的影響，但是在錨桿、錨網等支護手段下處于相對穩定平衡狀態。

綜合分析，導致5101工作面頂板圍巖被破壞且巷道變形嚴重的根本原因在于工作面頂板的整體性遭到破壞，且所采用的當前支護手段的強度低于設計要求。經實際探查，5101工作面3#煤層頂板巖層的破斷實際位置在于工作面采空區邊緣的16 m處。

對于小煤柱開采工藝而言，其主要作用是將工作面采空區邊緣的應力控制在低應力區域。因此，在上述分析的基礎上可采用小煤柱開采解決采空區邊緣16 m位置處巖層破斷的問題。

3 小煤柱留設寬度的確定

小煤柱開采解決采空區邊緣應力問題的效果，關鍵在于合理確定小煤柱留設寬度。當煤柱留設寬度過小時，在實際回采過程中煤柱對應塑性變形區域會不斷增大，進而加速了煤柱的破壞，最終導致錨桿支護效果[3]。本文將基于數值模擬手段實現對煤柱留設寬度的最優化設計。

根據5101工作面3#煤層的實際煤層、地質等條件建立數值模擬模型，并根據工作面頂底板巖層特征對模型中的參數進行設置。所搭建的模型，如圖1所示。

圖1 5101工作面數值模擬模型

如圖1所示，針對5101工作面所建立數值模擬模型的尺寸大小為200 m×50 m×50 m。結合理論計算結果，要求5101工作面小煤柱開采對應煤柱留設寬度值最小為4.2 m[4]。因此，對煤柱留設寬度分別為4 m、5 m、6 m、7 m以及8 m對應的圍巖應力集中情況及巷道變形情況進行數值模擬分析。

不同煤柱留設寬度在巷道掘進期間煤柱內部的應力變化，如表2所示。

表2 巷道掘進不同煤柱留設寬度對應應力峰值

對不同煤柱留設寬度對應巷道掘進期間的應力分布可知：當留設寬度為4m時煤柱所承受的應力相對集中，導致后期對煤柱維護方便性較小；同樣，當煤柱留設寬度為5 m時對應煤柱的應力也相對集中。但是，煤柱留設寬度為6 m、7 m、8 m時對應煤柱的應力不集中。綜合考慮，初步擬定當煤柱留設寬度為6 m和8 m時煤柱內部應力不集中，且對應應力峰值也較小。

為此，分別對煤柱留設寬度分別為6m和8m時對應巷道變形情況進行數值模擬分析，結果如表3所示。

表3 留設寬度為6 m和8 m時對應巷道變形情況

如表3所示，當煤柱留設寬度為6 m時對應小煤柱幫、兩幫以及頂底板的變形均小于煤柱留設寬度為8 m時對應的變形。因此，最終確定最佳煤柱留設寬度為8 m。

4 結語

為解決傳統寬煤柱開采煤炭資源回采率低，煤炭浪費嚴重的問題，小煤柱開采甚至無煤柱開采為未來煤炭開采的主要趨勢[5]。5101工作面3#煤層在實際開采中破斷實際位置在于工作面采空區邊緣的16 m處，結合小煤柱開采的優勢選擇采用小煤柱開采解決上述問題，并基于數值模擬手段對不同煤柱留設寬度對應的煤柱應力變化和巷道變形情況進行對比，最終得出最佳煤柱開采合理寬度為8 m。