煤柱高度對急傾斜煤層開采的影響分析

秦晉沛

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100）

在我國豐富的煤炭資源儲量中，急傾斜煤層占據主要類型，由于這些煤炭的開采難度較大，早期對于急傾斜煤層的開采不足。隨著煤礦開采強度的增加，以及煤礦開采技術的不斷發展，急傾斜煤層的開采逐漸成為重點，其礦井數量不斷增加。在急傾斜煤層的開采中，主要采用充填開采與巷道放頂煤開采兩種方式。其中，巷道放頂煤開采方式為：在采區內沿傾斜方向設定一定的標高，再進行區段的劃分，然后在每個區段內進行放頂煤開采，最后由放煤口將頂煤放出及回收[1]。巷道放頂煤開采涉及的所有工藝及開采工序均在放煤巷道內完成，而巷道受開采動壓作用的影響，會對于開采的安全性帶來一定影響[2]。通過對巷道保護煤柱的高度進行分析，明確巷道所受動壓的影響作用，從而保證放煤巷道的穩定，減少巷道維護的費用，提高礦井的經濟效益。

1 巷道放頂煤開采煤柱高度的理論分析

在進行急傾斜煤層的開采時，隨著頂煤的垮落，煤巖的初始應力受到破壞而重新分布，使頂板出現彎曲現象。將破碎后的頂煤視為弱彈性體，將頂板假設為彈性體上的橫梁[3]，以此建立頂煤垮落后的力學模型，如圖1所示。

圖1 頂煤垮落力學模型示意圖

從圖1中可以看出，在x＞0的側面，橫梁與實體煤層間為連續性接觸，而在另外一側，則是橫梁與散落煤層的連續接觸，橫梁受到連續分布的反力作用。頂板所受壓力分布如圖2所示。

圖2 頂板承壓分布示意圖

從圖2中可以看出，頂煤垮落后，在實體的頂板上形成了相應的應力集中區。在進行巷道放頂煤開采時，為了避開應力集中區，風巷的位置只有圖2中的1、2兩個位置可供選擇[4]。位置1處的巷道處于零壓力區，但巷道的一側為采空區，支架無法進行有效支撐，且受采空區煤矸等脫落的影響，存在一定的安全隱患；位置2處的風巷有效避開了高應力的作用區域，且上方有煤柱的存在，不影響巷道的安全。放煤巷道上方的煤柱對放煤巷道具有一定的保護作用，但若煤柱高度太高，會造成煤炭資源的浪費，不利于煤炭的回收。依據工程應用的實例，保護煤柱的高度一般設定在1～2 m之間，當煤層較為松軟時，可以適當增加煤柱高度，但要避免煤柱直接承載的情況[5]。

2 巷道放頂煤開采煤柱高度的仿真分析

2.1 巷道放頂煤開采數值模型的建立

針對開采煤柱的高度進行仿真分析，采用FLAC3D軟件進行數值模型的建立。FLAC3D是采用三維顯式進行有限差分計算的軟件，可用于對土木工程、石油開采及環境工程等問題進行分析。在軟件中科學設置多種材質類型，也可改變局部區域的材料類型，以適用于對該煤層的開采的仿真模擬[6]。在進行數值分析時，設定模型大小為38 m×30 m×22.5 m（長×寬×高），開采風巷為30 m；設定模型的底部固定，上部承受來自覆巖的重力作用，限制其水平方向的位移。煤層的傾角為50°，平均厚度為6 m，對模型進行網格劃分處理，得到其數值模型如圖3所示。

圖3 巷道放頂煤開采數值模型

2.2 煤柱高度對巷道放頂煤開采的影響仿真分析

在進行巷道放頂煤開采分析時，設定開采煤柱最大高度為2 m，由此進行運算分析。通過FLAC3D運算后將相應的結果導出，可以得到巷道圍巖的破壞特征分布及相應的應力分布，如圖4所示。其中應力分布分為垂直應力、剪切應力和水平應力三種類型。從圖4中可以看出，在開采過程中，當上區段的開采結束之后，采場的頂板巖層以剪切破壞形式為主。從圖4-1中可知，順槽頂板兩側出現了較大區域的塑性破壞，頂板的煤柱完全被破壞，由于煤柱的保護作用，在下區段的順槽應該采取合理的支護方式，以對下區段的順槽進行保護，從而避免上區段的煤矸等落入。圖4-2為垂直應力的分布情況，回風順槽頂板的中部垂直應力較小，此時煤柱產生塑性破壞，煤柱自身的結構不能起到有效支撐，應采取有效的支護措施來保證順槽煤柱的整體性。圖4-3為剪切應力的分布情況，此時的剪切應力最大值位于頂板的巖層中。圖4-4中為水平應力的分布情況，此時回風順槽圍巖的水平應力值較小。綜上描述，煤柱高度為2 m時，下區段的開采應力降低，此時巷道布置及煤柱高度對圍巖應力影響較小，可對巷道進行有效的支護。

圖4 煤柱巷道破壞模擬結果

3 結論

1）通過對開采煤柱高度對放頂煤開采時的影響作用進行分析，在理論上論證了煤柱對采空區煤矸的緩沖作用，而不能進行覆巖的承載，確定其高度為1～2 m。

2）設定煤柱高度為2 m，對其影響作用進行仿真分析，選取了圍巖的塑性破壞及應力分布特征進行分析，結果表明，在煤柱高度為2 m時，煤層的開采主要以剪切破壞的形式為主，同時在上巷幫的位置出現塑性破壞，頂板的煤柱受到破壞；上巷頂板的中部位置受到的垂直應力較小，在頂板的圍巖中存在最大的剪切應力，且此處的水平應力也比較小。

3）在進行急傾斜煤層的巷道放頂煤開采時，在給定條件下，煤柱高度為2m時，下區段的上巷處在工作面采動作用較小的區域，此時對巷道進行布置，對圍巖產生的應力作用較小，同時也有利于對巷道的支護。

4）急傾斜煤層的開采煤柱的高度，對于巷道的支護作用及圍巖的應力影響較大，應選取合理的數值，以保證開采的安全性及開采效率，從而提高煤礦的經濟效益。