厚煤层条件下合理宽度煤柱留设研究

2013-03-15武炳瑞

中国煤炭 2013年6期

武炳瑞

（山西潞安工程有限公司矿建分公司，山西省长治市，046000）

厚煤层在我国有着丰富的储量，据统计，我国厚煤层产量占40%50%。随着煤炭资源的日益紧张，开展对护巷煤柱合理宽度留设的研究，尤其对于（特）厚煤层条件下煤柱留设宽度的合理优化，对于提高矿井煤炭资源采出率以及利用情况有着重要的经济与现实意义。

1 地质概况

跃进煤矿1210工作面位于井田南翼采区下山北侧，为VI煤第三个工作面，紧邻1208 采空区顺序接替开采。VI煤层厚度8.710.8 m，平均厚度9.3m。煤层发育稳定，煤层平均倾角7°。煤层老顶为中、细砂岩，厚度8.819.7 m；直接顶为粉砂岩或泥岩，厚度0.876.38 m；直接底为粉砂岩，厚度1.563.14 m；老底为中、细砂岩，厚度9.421.5 m。工作面区域内煤层底板标高-476.6-516.7 m，地面标高+44.2-+45.3m。

2 工作面煤柱留设研究

2.1 模拟方案设计

为了研究1208采空区与1210回采工作面之间合理的煤柱留设宽度，运用FLAC2D 数值模拟软件对煤柱宽度为5 m、9 m、15 m、20 m、25 m、30m 的情况进行了模拟研究。根据1210回采工作面的地质条件，以该采区地质柱状图为依据，对保护巷煤柱不同宽度条件下煤柱受力进行了模拟分析。

模型大小为300m×150m （长×高），模型上表面施加9.8 MPa的垂直载荷以模拟岩层的自重，底部边界固定，侧面均水平方向约束，取侧应力系数1.2。本次模拟可以研究工作面邻近采空区一侧不同煤柱宽度对巷道及工作面实体煤周围应力分布的影响规律。所取岩石力学参数见表1，模拟模型简化示意图见图1。

表1 煤层及其顶底板岩层力学性质参数

图1 煤柱模拟示意图

2.2 煤柱内垂直应力分析

模拟了工作面邻近采空区一侧不同煤柱宽度条件对巷道及工作面实体煤周围应力分布的影响情况，运用FLAC2D 对不同煤柱留设宽度下的垂直应力云图模拟结果见图2，监测到的煤柱内部的垂直应力变化数据见图3。

由图2、图3 数值模拟结果可以看出，随着护巷煤柱宽度的增大，煤柱中的最大垂直应力由小变大，然后再变小，因而随煤柱宽度的增加，煤柱承载能力逐渐提高，工作面巷帮实体煤内的应力呈现出逐渐向煤柱转移的趋势。当煤柱宽度达到一定值时，煤柱内应力达到峰值，这时煤柱承受着较大的上覆岩载荷，并容易形成弹性能，引发巷道冲击破坏灾害；当煤柱宽度进一步增大后（如30m），煤柱内的应力又呈现出下降的趋势，此时煤柱自身已经能够承担起上覆岩层的应力，煤柱起主要承载作用。可以发现，当煤柱宽度过小时，留设的小煤柱基本被压酥，煤柱内载荷较小，上覆岩层应力主要由实体煤侧承担；而当煤柱宽度较大时，上覆岩层应力逐渐向煤柱上部分布，此时煤柱中部起主要承担压力的作用。

图4 不同宽度煤柱内位移变化曲线

2.3 煤柱内垂直位移分析

图4 为煤柱宽度为5 m、9 m、15 m、20 m、25m、30m 的条件下，不同煤柱宽度时煤柱内位移变化数据。

从图4结果可以看出煤柱中位移随着宽度的减少而逐渐增大，当区段煤柱宽度小于10m 时，由于煤柱垂直位移变化量极剧增加，煤体处于基本被压酥状态，上覆岩层的压力也将转移到实体煤侧承担。

3 现场工业试验

1210工作面回采期间在现场做了工业性试验，通过留设窄煤柱段和宽煤柱段来验证理论分析的合理性，分别在1210轨道巷掘进期间留设窄煤柱宽度为5m 和宽煤柱宽度为30m 两段，现场工业性试验巷道布置示意图见图5。

图5 工业性实验巷道布置示意图

因煤岩体在载荷作用下变形破裂时，会引起电荷的分离，从而会产生电磁辐射。电磁辐射强度与载荷有很好的一致性，随着载荷的增加，电磁辐射强度也随着增加，即强度越大，电磁辐射强度也就越大。

图6 掘巷煤柱电磁辐射监测示意图

采用中国矿业大学发明的电磁辐射仪器（KBD5型）对掘进工作面整个煤柱段进行定点监测，以及时掌握不同宽度护巷煤柱内电磁辐射值的变化情况，监测留设窄煤柱和宽煤柱时煤柱体的稳定性。现场在掘进巷道护巷煤柱段每隔10m 设置一个测点，布置完毕后，测试开始，在每个测点附近平均测量2min，KBD5型仪器将会对数据自动处理保存。电磁辐射测试过程如图6。

对现场工业性试验巷道护巷煤柱监测到的数据进行分析处理，可知在宽窄煤柱段电磁辐射平均值分别为26.9mV 和37mV，基本保持在较低的水平。从电磁辐射反映的结果可判断留5 m 小煤柱和留30m 的宽煤柱护巷时煤柱内载荷均偏小，且相差不多，和理论数值模拟结果比较符合。但因留设30m 的宽煤柱护巷严重影响特厚煤层的采出率，浪费煤炭资源，因此采用小煤柱护巷可以更加合理的兼顾提高煤炭采出率和护巷的作用。现场工业性试验段电磁辐射监测数据分析结果如图7。