平崗煤礦回采巷道煤柱留設尺寸優化研究

馬平云 MA Ping-yun

（黑龍江科技大學礦業工程學院，哈爾濱 150000）

0 引言

隨著礦井開采深度增加，礦井地質條件日趨復雜，極易受到高地壓、高溫以及采空區火災防治等因素的影響，針對以上問題，無煤柱開采技術雖為當前主流開采技術，但在此條件下會受到一定的限制，留設保護煤柱仍是較為常見的一種方式。平崗礦曾嘗試過沿空留巷無煤柱開采技術，但因正常回采期間，巷道變形量大、返修次數多、返修與維護成本高，且影響回采工作面正常回采，故只能采用留煤柱的方式布置接續面回采巷道。因此，如何在保證回采巷道穩定的狀態下，盡可能減少煤柱的留設寬度成為必須思考的問題。

國內外學者對此展開了一系列研究，柏建彪[1]分析了支護強度和煤柱寬度煤柱穩定性的影響，表明高強度錨桿對窄煤柱的整體強度提高具有重大意義，尤其是對軟煤更甚。并提出軟煤和中硬煤的合理煤柱寬度。李金剛等[2]通過利用FLAC3D數值模擬軟件模擬不同煤柱寬度情況下沿空巷道側向支承壓力、垂直應力、水平應力、垂直位移、水平位移的分布特征，確定了沿空巷道合理布置位置及合理煤柱尺寸。田建設等[3]分析巷道巷間煤柱應力分布規律，確定深部高應力巷間煤柱側向支承壓力分布特征，并模擬分析工作面多次回采影響下的不同寬度煤柱應力場分布特征，結合現場實驗確定深部高應力條件下合理巷間煤柱寬度。常瀚文等[4]采用理論分析、數值模擬和現場試驗相結合的研究方法，計算得出煤柱的合理寬度，進行對比分析得出護巷煤柱的合理留設寬度。并進行工程實踐，現場實測結果表明，確定的護巷煤柱寬度和支護參數圍巖控制效果較好，煤柱相對穩定。王寅等[5]通過理論分析結合數值模擬的研究方法，研究了回采巷道煤柱不同尺寸對回采巷道圍巖應力及塑性區分布特征的影響規律。結果表明：采動應力及不同煤柱尺寸對巷道圍巖塑性區變化規律具有顯著影響。且根據理論計算結合數值模擬得到合理的煤柱寬度。

上述研究在煤柱合理留設尺寸的確定方面取得了不少成果，但針對平崗礦復雜的地質條件來說，這些研究成果是否適用，還需進一步的探索，據此，本文提出開展平崗礦33#煤層合理留設尺寸優化研究，保證圍巖穩定的同時為礦井最大限度減少煤炭損失提供理論和技術支持，同時也為同類條件下煤柱合理留設尺寸的確定提供參考。

1 地質概況

33#煤層右一面位于平崗煤礦底部南翼采區，回采區域上方無采空區。工作面與地表垂深為650～680m。走向長度405m，傾向長度124m，平均傾角18°，煤層平均厚度為2.1m。工作面采用走向長壁后退式采煤法。巷道斷面為梯形，凈斷面尺寸：寬為4.0m，中高為2.55m。凈斷面面積為10.2m2。煤層頂底板情況為：直接頂和直接底均為粉砂巖，厚度為9.6m 和8.4m。

2 煤柱合理留設尺寸理論分析

煤柱留設尺寸既與回采巷道圍巖穩定性和布置位置有關，也對礦井資源采出率有影響。煤柱合理留設尺寸的確定既決定巷道與回采空間之間的水平距離，也會使工作面回采后引起的側向支承壓力對巷道的穩定性和煤柱的承載能力產生影響。

當煤柱一側為上區段回采工作面回采后成的采空區時，煤柱的臨側兩邊均會形成一定范圍的塑性變形區。煤柱彈塑性區的分布形式為兩側塑性區，中間彈性區。在這個變形范圍內，對塑性區寬度進行計算[4，6]。

煤柱計算公式[7]為：B=X1+X2+X3

式中：X1—采空區側煤體中的塑性區寬度，m；X2—錨桿的有效長度，m；X3—保持煤柱穩定的安全寬度，m。

根據極限平衡理論，煤柱采空側塑性區寬度X1為：

其中，側壓系數為：

化簡得：

式中：h—工作面煤層開采厚度，m；

φ—內摩擦角，°；

c0—黏聚力，MPa；

k—應力集中系數；

H—埋深；

p0—煤幫支護阻力。

根據地質條件及力學參數測試，可知工作面煤層開采厚度為2.1m，內摩擦角為30°，粘聚力為1.51MPa，應力集中系數取1.5，埋深取660m，煤幫支護阻力為0.5MPa，錨桿有效長度X2=1.74m。保持煤柱穩定的安全寬度X3，按照經驗取（0.3～0.5）（X1+X2）。根據公式得到塑性區寬度為X1=2.74m，安全寬度X3為1.12～1.87m，因此，煤柱留設寬度為5.83～6.72m。

3 不同煤柱寬度數值模擬

FLAC3D軟件是ITASCA 公司研發的有限差分計算軟件，具有二維算法和三維算法兩種版本。在地下工程應用中有出色的模擬計算效果，能很好地分析出工程中連續介質的力學性質，在世界范圍的工程研究中有廣泛的應用[8]。

為確定煤柱合理留設寬度，依據工程背景地質條件，采用FLAC3D軟件建立不同煤柱寬度（3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m）數值模型，對不同煤柱寬度下圍巖應力及塑性破壞特征進行分析。

3.1 不同煤柱寬度垂直應力分布

為揭示不同煤柱寬度對圍巖應力分布的影響，對不同煤柱寬度下巷道圍巖垂直應力云圖進行分析，如圖1所示。

圖1 不同煤柱寬度圍巖應力云圖

由圖1（a）～（h）可知：

煤柱寬度為3m，煤柱內最大支承壓力為5MPa，煤柱內無明顯應力集中，實體煤側支承壓力峰值為30MPa；煤柱寬度為4m，煤柱內應力集中峰值為8.5MPa，實體煤側支承壓力峰值為30.35MPa；煤柱寬度為5m，煤柱內應力集中峰值為12.5MPa，實體煤側最大支承壓力為31.02MPa；煤柱寬度為6m，煤柱內應力集中峰值為18.75MPa，實體煤側最大支承壓力為30.11MPa；煤柱寬度為7m，煤柱內應力集中峰值為25.6MPa，實體煤側應力集中峰值為30.03MPa；煤柱寬度為8m，煤柱內應力集中峰值為34.51MPa，實體煤側應力集中峰值為26.5MPa；煤柱寬度為9m，煤柱內應力集中峰值為36.19MPa，實體煤側應力集中峰值為27.5MPa；煤柱寬度為10m 與9m 相比時，10m 煤柱內應力集中程度明顯大于煤柱9m，且影響范圍也較大。

為量化分析不同煤柱寬度巷道圍巖應力分布差異，對不同煤柱寬度下圍巖垂直應力數據進行提取，可知煤柱寬度在3～6m 范圍，隨煤柱寬度增加，實體煤側應力集中峰值大小略有降低，峰值位置不變；煤柱內應力集中峰值逐漸增加，由5MPa 增加至12.5MPa，但增加幅度較小，且峰值位置由巷幫向煤柱內部轉移。煤柱寬度在7～10m 范圍，隨煤柱寬度增加，實體煤側應力集中峰值大小略有降低，峰值位置不變；煤柱內應力集中峰值增加幅度較大，由16.1MPa 增加至31.5MPa，且峰值位置由巷幫煤柱淺部向煤柱深部轉移。由此可得，煤柱在5～7m 范圍內，實體煤側應力峰值較大，但距巷幫距離較遠；煤柱內應力集中峰值較小，且距巷幫距離較遠，因此，可得煤柱寬度5～7m 較為合理。

3.2 不同煤柱寬度塑性破壞特征

為揭示不同煤柱寬度對圍巖塑性破壞特征的影響，對不同煤柱寬度下巷道圍巖塑性區云圖進行分析，不同煤柱寬度塑性區云圖如圖2 所示。

圖2 不同煤柱寬度塑性破壞云圖

由圖2 可知，隨煤柱寬度由3m 增加至7m，煤柱內塑性破壞范圍逐漸增加，巷道上方頂板破壞范圍逐漸減小，說明煤柱寬度越大，其承載性能越高，塑性區分布范圍也越小，巷道范圍破壞情況有所好轉。當煤柱寬度在8～10m范圍，受采動應力影響較為強烈，煤柱塑性破壞范圍較大，煤柱內承載力也越大，同時考慮到資源浪費的問題，不建議選擇。由此得出，通過分析不同煤柱寬度塑性破壞情況，得出煤柱寬度在5～7m 較為合理。

結合理論計算結果綜合分析可知，當煤柱的合理留設尺寸在6m 時，巷道圍巖較為穩定。

4 結論

文章采用理論分析結合數值模擬計算煤柱的合理尺寸，建立模型，模擬不同煤柱寬度下圍巖應力及塑性破壞特征并進行分析，得出煤柱合理寬度。

①通過極限平衡理論計算可得出煤柱塑性區寬度為2.74m，煤柱尺寸在5.83～6.72m。

②通過數值模擬分析不同煤柱寬度圍巖應力及塑性破壞特征，可得煤柱在5～7m 范圍內時，實體煤側應力峰值較大，但距巷幫距離較遠，煤柱內應力集中峰值較小，且距巷幫距離較遠。說明煤柱寬度在5～7m 較為合理。當煤柱寬度由3m 增加至7m 時，煤柱內塑性破壞范圍逐漸增加，巷道上方頂板破壞范圍逐漸減小，說明煤柱寬度越大，其承載性能越高，塑性區分布范圍也越小，巷道范圍破壞情況有所好轉，當煤柱寬度在8～10m 范圍，受采動應力影響較為強烈，煤柱塑性破壞范圍較大，煤柱內承載力也越大，同時考慮到資源浪費的問題，不建議選擇。說明煤柱寬度在5～7m 較為合理。

由此綜合分析得出煤柱合理尺寸為6m 為最優。