浅埋群采煤层大巷煤柱合理尺寸留设数值模拟研究

石晓光

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原 030006）

浅埋群采煤层大巷煤柱合理尺寸留设数值模拟研究

石晓光

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原 030006）

摘要：基于神木张家峁煤矿浅埋煤层条件，以3-1煤层、4-2煤层、5-2煤层群采为研究背景，提出通过数值模拟手段分析煤层群采时大巷保护煤柱合理宽度，以求在保证煤层大巷的稳定前提下，既提高资源回收率，又能实现安全高效生产。数值模拟得出3-1煤层、4-2煤层和5-2煤层共同回采时的大巷保护煤柱宽度应分别为170m、185m 和200m，模拟结果表明合理的浅埋群采煤层条件下大巷保护煤柱较单煤层开采时留设尺寸略低，可进一步提高资源回收率。

关键词：煤层群采；大巷煤柱；数值模拟

陕西神南张家峁煤矿为核定生产能力1 000 万t现代化矿井，其3-1煤层、4-2煤层、5-2煤层同时开采，生产中为保证煤层大巷的稳定，需要留设相应宽度大巷保护煤柱，合理大巷煤柱尺寸不仅为后期大巷煤柱的安全高效回收提供技术支撑，同时也对提高资源回收率和实现安全高效生产具有重要意义［1-3］。同时，伴随着计算机等技术的引入，利用计算机数值模拟来确定保护煤柱合理留设宽度成为一种较为普遍的研究方法，在这方面张国华等［4-10］学者做了大量的基础研究工作，并获得了大量成果。而对于浅埋群采煤层条件下大巷煤柱留设研究并不多见，为此，针对张家峁矿浅埋煤层条件下大巷煤柱合理宽度进行分析，不仅能更好地指导工程实践，也可为此类条件下大巷煤柱尺寸的确定提供参考。

1　工作面概况

榆神矿区张家峁煤矿属于典型浅埋煤煤层条件，矿井可采煤层多、倾角小、煤层厚且煤质优良，其中3-1煤层和4-2煤层平均垂直距离35 m，4-2煤层和5-2煤层平均垂直距离80 m。其中，3-1煤层平均厚度3 m，埋深64.5 m；4-2煤层平均厚度3.5 m，埋深99.5 m；5-2煤层平均厚度6 m，平均埋深164 m，三煤层位置关系示意图，见图1。

图1　3-1煤层、4-2煤层和5-2煤层位置关系示意图

2　数值模拟模型建立

根据地质资料及建立模型的需要，对模拟中的岩层厚度进行了一定的简化，模拟计算采用的岩体力学参数，如表1所示。

表1　计算采用的煤岩物理力学参数表

以3-l煤层、4-2煤层和5-2条件为基础，严格按照地层资料、巷道尺寸及工作面尺寸进行建模，三个煤层工作面开采长度均在1 500m以上，考虑到运算时间和计算机计算能力的限制，三个煤层工作面开采长度取800 m。计算模型长1 440.6 m，高199.9 m，共41 118单元块，62 712个节点，三煤层大巷保护煤柱合理尺寸数值计算模型，见图2。

图2　三煤层大巷保护煤柱合理尺寸数值计算模型

采用空单元实现工作面的分步回采。3-l煤层、4-2煤层和5-2煤层同时回采，计算过程中按照下行式顺序进行回采，先回采3-1煤层工作面，之后回采4-2煤层工作面，最后回采5-2煤层工作面；由于回采工作面的走向较长，初始回采每步开挖200m，待回采到一定范围内后进行每步100 m、50 m、25 m、15 m、10 m和5 m回采。

3　大巷保护煤柱宽度的分析

因张家峁煤矿3-l煤层、4-2煤层和5-2煤层单煤层开采时大巷保护煤柱留设为170 m、170 m和140 m。为了确定煤层群采时合理大巷煤柱尺寸，根据三个煤层的地质条件、位置关系以及下行式开采顺序，数值计算拟定四大计算工况。不同宽度大巷保护煤柱时各煤层辅回撤通道塑性区，见图3。

图3　不同宽度大巷保护煤柱时各煤层辅回撤通道塑性区

从图3-a可以看出，当3-l煤层、4-2煤层和5-2煤层大巷保护煤柱宽度均为170 m，三煤层同时开采时，3-l煤层和4-2煤层由于受到下煤层开采的扰动，两煤层辅助运输巷道及主、辅回撤通道之间的煤柱均发生塑性变形，塑性区域一直延伸到大巷保护煤柱20 m～30 m。分析表明，该工况下3-l煤层和4-2煤层主、辅回撤通道之间的煤柱全部进入塑性状态，必然引起辅回撤通道将会发生较大变形，并且保护大巷较大范围内也发生塑性变形，这种情况不利于后期煤柱大巷的安全高效回采，甚至影响工作面回采结束后支架的回收，必须增大4-2煤层和5-2煤层的大巷保护煤柱宽度。

从图3-b可以发现3-l煤层和4-2煤层两煤层辅助运输巷道及主、辅回撤通道之间的煤柱均发生塑性变形，塑性区域一直延伸到大巷保护煤柱15 m左右。尽管该工况下3-l煤层和4-2煤层主、辅回撤通道塑性区域较图3-a有所减小，但是主辅回撤通道护巷煤柱全部进入塑性状态，其安全稳定可能会受到影响，不利于后期大巷保护煤柱的安全高效回收。

当4-2煤层和5-2煤层大巷保护煤柱宽度继续增大，图3-c中，3-l煤层辅回撤通道及主、辅回撤通道之间的煤柱均出现塑性区，4-2煤层辅回撤巷道顶板和底板发生塑性变形，该煤层主、辅回撤通道之间的煤柱部分进入塑性状态，5-2煤层辅回撤巷道塑性区很小，三煤层辅回撤通道塑性区区域较3-a明显减小。表明尽管该工况下3-l煤层和4-2煤层主、辅回撤通道部分处于塑性状态，但是其周围围岩仍然具有较强的承载能力。

图3-d中，当4-2煤层和5-2煤层大巷保护煤柱宽度持续增加，三煤层同时开采时，各煤层辅回撤通道及主、辅回撤通道之间的煤柱出现的塑性区区域与3-c大致相同。

在三煤层辅回撤通道的两帮、顶板和底板设置监测点，计算得出三煤层同时开采下各煤层辅回撤通道的变形。每个工况下其最大变形值，如表2所示。

表2　不同工况下辅回撤通道最大变形值对比

采用下行式开采顺序时，当3-1煤层、4-2煤层和5-2煤层的大巷保护煤柱宽度均为170 m，3-1煤层的辅回撤通道的稳定性极差，巷道变形很大，尤其是4-2煤层辅回撤通道两帮收敛值达到78.54 mm，顶板下沉量达到95.53 mm，辅回撤通道处于失稳状态；工况二，即3-1煤层、4-2煤层和5-2煤层的大巷保护煤柱宽度分别为170 m、180 m和195 m，尽管辅回撤通道变形较工况一有所减小，但是变形仍旧很大，尤其4-2煤层辅回撤通道两帮收敛值37.92 mm，顶板下沉量达到40.96mm，不利于后期支架的回撤和大巷保护煤柱的高效回撤；工况三下，即3-1煤层、4-2煤层和5-2煤层的大巷保护煤柱宽度分别为170 m、185 m和200m，回撤通道变形较小，4-2煤层辅回撤通道变形最大，其两帮收敛值13.63 mm，顶板下沉量达到15.05 mm，变形在接受范围之内，采动影响下可以确保辅回撤通道安全稳定，从而保证后期大巷保护煤柱的安全高效回收；工况四下，即3-1煤层、4-2煤层和5-2煤层的大巷保护煤柱宽度分别为170m、186m和210 m，各煤层辅回撤通道及主、辅回撤通道之间的煤柱出现的塑性区区域与工况三大致相同，回撤通道变形较小，4-2煤层辅回撤通道变形最大，其两帮收敛值10.24 mm，顶板下沉量达到11.49 mm，变形在接受范围之内。

综合以上分析，三煤层同时开采条件下，在保证各煤层辅回撤通道安全稳定和提高煤层大巷保护煤柱高效回收的前提下，3-1煤层、4-2煤层和5-2煤层的大巷保护煤柱宽度应分别为170 m、185 m 和200m。

4　结束语

张家峁煤矿采用下行式开采顺序，当3-1煤层、4-2煤层和5-2煤层的大巷保护煤柱宽度分别为170 m、185m和200 m，各煤层辅回撤通道变形较小，巷道变形在接受范围之内，采动影响下可以确保辅回撤通道安全稳定，从而保证后期大巷保护煤柱的安全高效回收；因此，建议张家峁煤矿在进行3-1煤层、4-2煤层和5-2煤层群采时，三煤层停采线位置应分别设置在距离各煤层辅运大巷200 m、215 m 和230 m，不同于单煤层开采条件下的200 m、200 m和170 m。

参考文献：

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（编辑：武晓平）

中图分类号：TD325

文献标识码：A

文章编号：1672-5050（2016）03-053-04

DOI：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxm t.2016.06.016

收稿日期：2016-01-24

作者简介：石晓光（1988-），男，黑龙江双鸭山人，工程硕士，助理工程师，从事连续采煤机短壁机械化开采工艺技术研究工作。

Num erical Sim ulation on Rational Size of Coal Pillar in A llays of Group M ining in Shallow Coal Seam

SHIXiaoguang
（Taiyuan Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan 030006，China）

Abstract：Based on shallow coal seam in Shenmu Zhangjiamao Mine，taking the group mining of coal seam 3-1，4-2and 5-2as the research background，numerical simulation was used to study the reasonablewidth ofprotective pillarsin order toensurealley stability，increase resource recovery rate，and realize safe and efficientproduction.The simulation obtains the reasonablewidthsof coal seam 3-1，4-2and 5-2to be 170，185，and 200 meters，respectively.The simulation results show that the reasonable pillar width of thegroupmining isslightly less than thatofsingle seammining，which could further improve the resource recovery rate.

Keywords：groupmining；coalpillar in allays；numericalsimulation