浅埋深厚煤层护巷煤柱合理尺寸研究

李来源

(陕西神木县隆德矿业有限责任公司，陕西省榆林市，719319)



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浅埋深厚煤层护巷煤柱合理尺寸研究

李来源

(陕西神木县隆德矿业有限责任公司，陕西省榆林市，719319)

为减小护巷煤柱宽度，提高盘区采出率，在分析受采动影响的203工作面回采巷道矿压显现特征的基础上，针对浅埋深巷道矿压显现不明显的实际情况，通过理论计算，得出隆德矿2#煤层合理的护巷煤柱宽度为8.3～12.2m；采用FLAC3D数值模拟分析了护巷煤柱宽度为8m、10m、12m、16m时的巷道围岩变形和塑性区分布规律。分析结果表明，随着煤柱宽度的增加，巷道围岩变形量减小，煤柱更加稳定，但当煤柱宽度超过12m时，加大煤柱宽度对维护巷道的稳定作用并不明显，最终确定护巷煤柱宽度为12m。现场实践表明，煤柱留设宽度减至8m后，仍可满足下一工作面安全开采要求。

浅埋煤层 厚煤层 护巷煤柱 弹性核区 煤柱宽度

护巷煤柱宽度的留设是煤矿盘区设计的关键问题之一，也是困扰煤矿安全生产的重要技术难题之一。受动压影响回采巷道的矿压显现程度与煤柱宽度有较大的关系，煤柱尺寸过小，其自身承载能力低、稳定性差、易破坏，使巷道因失去支撑体而难以维护；煤柱尺寸过大，虽可降低巷道的矿压显现程度，减少顶板灾害的发生次数，但煤炭损失严重，采出率低。隆德煤矿回采巷道普遍选用双巷掘进和维护的方式，在相邻工作面回采巷道之间留设20 m的煤柱。根据浅埋深煤层巷道的矿压显现特征，并结合工作面推进过程中的巷道实际观测情况，发现在20 m煤柱的支撑作用下，在经过二次采动后，巷道没有发生较大的变形和破坏。为解决盘区开采过程中的区段煤柱留设过大的问题，提高煤炭采出率，在分析综采工作面回采巷道矿压显现特征的基础上，在不改变巷道原支护参数的条件下，优化区段煤柱宽度，以实现煤矿的安全高效生产。

1 工程概况

203工作面煤层厚度为3.25～4.6 m，平均3.9 m；煤层平均倾角为2°，工作面埋深平均190～200 m。上覆岩层直接顶为粉砂岩，厚度为1.4～3.4 m，平均为3 m，泥质胶结。基本顶为细砂岩、粉砂岩，厚度为8.3～22.3 m，泥质胶结，波状层理，夹有泥岩及细粒砂岩薄层硬度中等。203工作面长度300 m，可采长度3650 m，采用长壁式一次采全高全部垮落法和综合机械化采煤工艺。203辅助运输巷和胶带运输巷沿煤层底板布置，巷道宽5.4 m，高3.6 m。

2 回采巷道矿压显现规律实测分析

203辅助运输巷和胶带运输巷并行掘进，两巷之间留设20 m的煤柱。由于203辅助运输巷要在201工作面回采过程中起回风作用，故203辅助运输巷和煤柱要受二次采动影响。若研究203辅助运输巷受二次采动影响后的矿压显现特征，所需时间太长，故选择在受初次采动影响的203辅助运输巷和受第2次采动影响的203辅助运输巷中布置矿压监测测站，来研究回采对巷道和煤柱稳定性的影响。

203辅助运输巷和回风巷表面位移观测曲线分别如图1和图2所示。由图1和图2可知，受第1次采动影响的203辅助运输巷顶底板最大移近量为25 mm，两帮最大移近量为20 mm；受第2次采动影响的203回风巷顶底板最大移近量为38 mm，两帮最大移近量为32 mm，井下观测也基本没有发现巷道较大变形；将上述两次变形量相加，近似理解为203辅助运输巷受二次采动影响后的巷道表面最大位移变形量，顶底板最大移近量为63 mm，两帮最大移近量为52 mm。

图1 203辅助运输巷道表面位移变化

图2 203回风巷巷道表面位移变化

实测分析表明，在护巷煤柱为20 m宽度的前提下，二次采动对巷道和煤柱影响很小，巷道和煤柱仍处于稳定状态。故现在采用的20 m护巷煤柱明显略大，应研究提出合理煤柱宽度，以提高盘区采出率。

3 护巷煤柱宽度的理论计算

护巷煤柱两侧的回采空间和回采巷道形成以后，在煤柱边缘会发生塑性变形和破坏，形成各自的塑性区x0和x1，如图3所示。因此在煤柱设计时，煤柱两侧的塑性区宽度之和不能超过煤柱的宽度，否则，煤柱两侧的塑性区将连通，煤柱失去弹性核区，支撑能力迅速降低，煤柱极有可能完全失稳。

图3 煤柱的弹塑性变形区及应力分布

受采动影响后，护巷煤柱保持稳定的宽度为：

B=x0+(1～2)M+x1

(1)

式中:B——护巷煤柱宽度，m；

x0——煤柱在采空区一侧的塑性区宽度，m；

M——煤层开采厚度，m；

x1——煤柱在巷道一侧的塑性区宽度，m。

运用岩体的极限平衡理论，在采空区侧形成的塑性区宽度x0为：

(2)

式中：A——侧压系数，取0.389；

φ0——煤层界面的内摩擦角，取37°；

C0——煤层界面的黏结力，取1.2 MPa；

K——应力集中系数，取2.5；

γ——岩层平均容重，取25kN/m3；

H——巷道埋深，取200 m；

PZ——支架对煤帮的支护阻力，取0。

由式(2)计算得到x0=2.2 m。一般来说，x1

4 煤柱留设宽度数值模拟对比优化

数值模拟法具有较强的运算功能，同时可以模拟不同地质条件、不同煤柱宽度甚至是不同支护强度下煤柱的受力、巷道变形等状况，是目前研究煤柱留设宽度普遍采用的方法。在理论分析的基础上，采用FLAC数值模拟软件，分别模拟护巷煤柱宽度为8 m、10 m、12 m、16 m时巷道围岩变形和塑性区分布规律，对比确定合理的护巷煤柱尺寸。

4.1 建立数值模型

模型尺寸为70 m×50.4 m，采用弹塑性材料模型，运用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏程度，上部边界施加应力载荷按采深200 m计算，底部边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定。各岩层力学参数见表1。

表1 煤岩力学参数

基本支护参数：顶板锚杆规格为ø18 mm×2100 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距900 mm×1000 mm，顶板锚索规格为ø17.8 mm×6000 mm，间排距为2000 mm×3000 mm，矩形布置，帮部锚杆规格为ø16 mm×1600 mm圆钢锚杆，末端400 mm拍扁拧成麻花状，间排距为750 mm×1500 mm，五花形布置。

4.2 模拟结果分析

不同煤柱宽度时煤柱塑性区分布如图4所示。

图4 不同煤柱宽度煤柱两侧塑性区分布

由图4可知，随着煤柱宽度增加，煤柱中弹性核区的范围逐渐增大。煤柱宽度为8 m时，塑性区在巷道一侧为2 m，在回采空间一侧为4 m，中部的弹性核宽度为2 m，仅为巷道高度的一半，支承能力难以保证；煤柱宽度为10 m时，煤柱中弹性区宽度为4 m，略大于巷道高度；煤柱宽度为12 m时，弹性核区宽度为6 m。现场实践表明，当煤柱宽度在核区达到50%时，煤柱可保持稳定；煤柱宽度为16 m时，煤柱中弹性区明显增大，此时煤柱尺寸过大，不利于提高盘区采出率，会造成资源浪费。

煤柱宽度与203辅助运输巷围岩变形关系模拟结果见表2。随着203工作面的不断推进，201辅助运输巷顶底板及两帮均发生了变形，随着煤柱宽度的增加，201回风巷围岩变形量逐渐减小。10 m宽的煤柱相对8 m宽的煤柱，巷道围岩变形降幅在13%左右；12 m宽的煤柱相对10 m宽的煤柱，巷道围岩变形降幅在24%以上，降幅较大；16 m宽的煤柱相对12 m宽的煤柱，巷道围岩变形降幅在13%以下，说明加大煤柱宽度对维护巷道的稳定作用不太明显。根据数值计算结果，将隆德煤矿护巷煤柱宽度确定为12 m。

表2 煤柱宽度与203辅助运输巷围岩变形关系

5 工程实践

201辅助运输巷和胶带运输巷间留设12 m护巷煤柱，为研究回采过程对巷道和煤柱稳定性的影响，在201辅助运输巷掘进和201工作面回采期间，对201辅助运输巷进行巷道表面位移和锚杆受力监测，测站布置如图5所示。

图5 工作面巷道及测站布置示意图

5.1 掘进期间矿压显现特征

201辅助运输巷掘进期间巷道表面位移变化如图6所示。由图6可知，在距掘进工作面20 m范围内，巷道表面位移增长较快，工作面超出测站80 m后趋于稳定，顶底板最大移近量为48 mm，两帮最大移近量为45 mm，掘进期间矿压显现不明显，煤柱处于稳定状态。

图6 201辅助运输巷掘进期间巷道表面位移变化

201辅助运输巷掘进期间锚杆受力变化如图7所示。由图7可以看出，掘进期间锚杆受力变化幅度较小，趋于平稳状态，所留设的煤柱可以发挥较好的支撑作用。

图7 201辅助运输巷掘进期间锚杆受力变化

5.2 回采期间矿压显现特征

201工作面回采期间，4#测站巷道表面位移变化最大，其巷道表面位移观测曲线如图8所示。由图8可知，距工作面20～80 m的范围内，4#测站几乎没有受到采动影响，巷道表面位移变化幅度较小；距工作面10～20 m范围内，巷道表面位移变化迅速；距工作面10 m以内时，巷道表面位移急剧增加，顶底板最大移近量为164 mm，两帮最大移近量为157 mm，但巷道总体位移量还是相对较小，在安全许可范围内，煤柱及巷道仍可保持稳定状态。

图8 201辅助运输巷回采期间4#测站巷道表面位移变化曲线

图9 201工作面回采期间锚杆受力变化曲线

201工作面回采期间锚杆受力变化曲线如图9所示。由图9可知，距工作面50 m时，锚杆受力开始受到采动影响，但变化较小，涨幅在10 kN以内；距工作面30 m以内时，锚杆受力开始显著增加，最大值为68 kN，远低于锚杆破断力。

护巷煤柱宽度由203工作面的20 m降为201工作面的12 m后，不仅单个工作面比原来多产出煤炭14.6万t/a，直接经济效益2920万元，而且矿压显现程度处于可控制范围之内，巷道和煤柱仍处于稳定状态，满足安全开采要求，技术经济效益显著。

6 结语

(1)在分析隆德矿浅埋深回采巷道矿压显现特征的基础上，得出回采巷道围岩变形量小，矿压显现不明显，在保持巷道原支护参数的条件下，可以进一步优化护巷煤柱宽度。

(2)根据理论计算分析，得出隆德矿2#煤层合理护巷煤柱宽度为8.3～12.2 m。

(3)利用数值模拟软件，计算护巷煤柱宽度为8 m、10 m、12 m、16 m时的巷道围岩变形和塑性区分布规律。随着煤柱宽度的增加，巷道围岩变形量越来越小，煤柱越来越稳定，但当煤柱宽度超过12 m时，加大煤柱宽度对维护巷道的稳定作用不太明显，最终确定护巷煤柱宽度为12 m。

(4)工程实践表明，当护巷煤柱的宽度改为12 m后，巷道总体位移量相对较小，在安全许可范围之内，单个工作面比原来多产出煤炭14.6万t/a，直接经济效益2920万元，技术经济效益显著。

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(责任编辑 陶 赛)

Research on reasonable width of coal pillar in shallow-buried deep coal seam

Li Laiyuan

(Shaanxi Shenmu County Longde Mining Co., Ltd., Yulin, Shaanxi 719319, China)

In order to reduce coal pillar width and increase recovery rate of the panel area, based on the analysis of characteristics of mining-induced rock strata pressure in mining roadway of 203 work face, aiming at the actual situation that strata pressure behavior of shallow buried roadway was not obvious, it is concluded that by theoretical calculation,the reasonable pillar width of No. 2 coal seam in Longde Mine was 8.3～12.2 m. FLAC3D numerical simulation was used to analysis laws of the deformation and plastic zone distribution of roadway surrounding rock when pillar width was 8 m, 10 m, 12 m, 16 m, respectively. The results showed that with the increase of coal pillarwidth, the deformation of surrounding rock was smaller, coal pillar was more stable, however, when coal pillar width was more than 12 m, increasing coal pillar width could not favorably maintain the stability of roadway. It wasfinnaly determined that coal pillar width was 12 m.Field application showed that 8-meter coal pillar width still could met the requirement of safe mining production.

shallow buried coal seam, thick coal seam, protective pillar, elastic core area, coal pillar width

李来源 .浅埋深厚煤层护巷煤柱合理尺寸研究 [J] . 中国煤炭，2017,43(4)：79-83.LiLaiyuan.Researchonreasonablewidthofcoalpillarinshallow-burieddeepcoalseam.ChinaCoal，2017,43(4)：79-83.

TD

A

李来源(1964-)，男，山东济宁人，高级工程师，博士研究生，从事矿山压力与岩层控制等方面的研究。