隆德煤矿区段煤柱合理宽度的确定

李来源

(神木县隆德矿业有限责任公司，陕西 榆林 719300)

1 工程概况

华电隆德煤矿201工作面位于2-2煤层辅运大巷西侧，南部为203工作面采空区，北部及切眼靠近井田边界，地面相对位置为工业广场西北部，风井广场北部，工作面中心位置距工业广场4.4km，距风井广场2.6km；工作面标高1001.8～1033.1m，地面标高1197.2～1236.1m，平均埋深在200m左右。

2-2煤层倾角小，为近水平煤层；201工作面采用综合机械化采煤法，平均采高3.55m，工作面长300m，可采长度3694.5m。

表1为工作面顶底板岩层分布情况，顶板管理方法为全部垮落法。

表1 201工作面顶底板岩层分布情况

2 模拟方案

为确定合理煤柱尺寸，采用FLAC3D[1-2]对煤柱留设宽度进行模拟分析，结合隆德煤矿201工作面的实际情况，依据区段煤柱的留设宽度不同，确定模拟方案如下：

方案1：煤柱的留设宽度为20.0m。

方案2：煤柱的留设宽度为17.5m。

方案3：煤柱的留设宽度为15.0m。

方案4：煤柱的留设宽度为12.5m。

方案5：煤柱的留设宽度为10.0m。

模拟选用的本构关系为Mohr-Coulomb model，模型的左、右边界为单边约束，即水平位移为零，垂直位移不为零，底部边界为全约束，即水平位移和垂直位移均为零，上部为应力边界，近似为均布载荷，其大小按q=∑ρgh进行近似估算[3-4]；模拟选用的煤岩体的物理力学参数见表2。

表2 折减后的煤岩体物理力学参数

3 模拟结果分析

3.1 煤柱塑性破坏分析

图1给出了不同模拟方案下煤柱塑性区的分布变化。煤柱塑性破坏范围变化见图2。

结合图2可知，随着煤柱尺寸的减小，煤柱工作面侧的破坏深度依次为3.0m，3.12m，4.28m，4.36m和5.0m，煤柱辅运巷侧的破坏深度依次为2.0m，2.08m，2.14m，2.18m和4.0m，煤柱工作面侧的破坏深度明显大于辅运巷侧，累计破坏深度依次为5.0m，5.2m，6.42m，6.54m和9.0m，弹性区域分别为15.0m，12.3m，8.58m，5.46m和1.0m，破坏比率分别为25%，29.71%，42.8%，52.32%和90%。因此，从煤柱塑性破坏范围来看，煤柱宽度大于15.0m时，塑性破坏比率小，留设尺寸偏大；若煤柱宽度为10m，累计破坏深度高达9.0m，塑性破坏比率高，稳定性差，存在安全隐患。

图1 不同模拟方案下煤柱塑性破坏分布

图2 煤柱塑性破坏范围变化

3.2 煤柱应力场分析

图3给出了不同模拟方案下煤柱垂直应力场的分布变化。

图3 不同模拟方案下煤柱垂直应力场分布

模拟结果显示，随着煤柱尺寸的减小，垂直应力峰值向煤柱深处转移。煤柱宽度大于15.0m时，在煤柱辅运巷侧出现小范围的轻微应力集中现象，即垂直应力呈双峰值变化，这表明煤柱留设尺寸偏大(应力峰值间存在有大量的弹性区域)；煤柱宽度为15.0m时，垂直应力双峰值不复存在，仅在工作面侧出现峰值；煤柱宽度为12.5m时，垂直应力峰值开始向辅运巷侧偏移，但高应力区域仍分布在工作面侧；煤柱宽度为10.0m时，垂直应力峰值急速向辅运巷侧偏移，煤柱内的弹性区域减小。

结合图4可知，随着煤柱尺寸的减小，煤柱内垂直应力峰值依次为16.0MPa，16.73MPa，16.84MPa，16.34MPa和15.82MPa，其规律为先增大后减小，该变化趋势表明，煤柱宽度大于15.0m时，承载能力有盈余，留设尺寸偏大；若煤柱宽度为10.0m，垂直应力明显减小，表明煤柱的塑性破坏增加，承载能力降低。

图4 煤柱应力峰值变化

图5给出了不同模拟方案下煤柱水平应力场的分布变化。模拟结果显示，随着煤柱尺寸的减小，煤柱水平应力集中范围明显减小。煤柱宽度为20.0m时，在煤柱左肩角及左侧深入煤体6～8m范围内出现明显应力集中现象，应力峰值在7.96MPa左右，高应力区主要分布在煤柱工作面侧；煤柱宽度为17.5m时，应力集中区域主要出现在煤柱左肩角处，峰值大小为8.47MPa，高应力区分布在煤柱左半侧，未延展到辅运巷侧；煤柱宽度为15.0m时，水平应力的分布形态与之前相差不大，应力集中区域主要出现在煤柱左肩角处，峰值大小为8.61MPa；煤柱宽度为12.5m时，煤柱工作面侧出现小范围的应力集中现象，峰值大小为7.53MPa；煤柱宽度为10.0m时，高应力区域分布在煤柱中央，并延展至煤柱两底角处，应力峰值大小为6.21MPa，较之前明显减小，表明煤柱破坏增加，承载能力降低。

因此，从煤柱水平应力分布和大小可以看出，煤柱尺寸大于15.0m时，煤柱承载能力有盈余，存在资源浪费现象；若煤柱尺寸为10.0m，塑性破坏增加，承载能力明显降低，稳定性差，存在安全隐患。

3.3 巷道围岩变形分析

图6为滞后回采工作面30m时，不同模拟方案下辅运巷围岩变形情况。

图5 不同模拟方案下煤柱水平应力场分布

图6 辅运巷围岩变形

模拟结果显示，随着煤柱尺寸的减小，辅运巷两帮变形增加，左帮向巷内偏移量依次为24.9mm，25.4mm，27.7mm，32.8mm，40.1mm，右帮向巷内偏移量分别为30.1mm，31.8mm，33.0mm，36.7mm，41.3mm，右帮变形明显比左帮变形大，两帮累计变形量依次为55.0mm，57.2mm，60.7mm，69.5mm，81.4mm。从两帮累计变形增加幅度中可以看出，煤柱宽度大于10.0m时，变形增加幅度小，不超过8.8mm；煤柱宽度为10.0m时，变形增幅变大，为11.9mm，煤柱稳定性变差。

随着煤柱尺寸的减小，顶底板变形增加，其中巷道顶板下沉量较大，依次为51.2mm，58.3mm，67.5mm，78.9mm，109.8mm，巷道底鼓量较小，分别为13.8mm，15.2mm，16.1mm，17.2mm，18.4mm，顶底板相对移近量分别为65.0mm，73.5mm，83.6mm，96.1mm，128.2mm。从顶底板相对变形增加幅度中可以看出，煤柱宽度大(等)于12.5m时，变形增加幅度小，不超过12.5mm；煤柱宽度为10.0m时，变形增幅变大，为32.1mm，煤柱稳定性变差。

4 小 结

(1)煤柱塑性破坏范围表明，若煤柱宽度大于15.0m，煤柱塑性破坏比率小，留设尺寸偏大；若煤柱宽度为10.0m，累计破坏深度高达9.0m，塑性破坏比率高，稳定性差，存在安全隐患；因此，从塑性破坏范围来看，建议煤柱尺寸不宜小于12.5m。

(2)煤柱应力分布变化和大小表明，若煤柱尺寸大于15.0m，承载能力有盈余，留设尺寸偏大；若煤柱尺寸为10.0m，塑性破坏增加，承载能力降低，稳定性差。因此，从应力分布变化和大小来看，建议煤柱尺寸不宜小于12.5m。

(3)巷道围岩表面位移变形表明，煤柱尺寸大(等)于12.5m时，围岩变形增加幅度不大；若煤柱尺寸为10.0m，围岩变形幅度明显增加，稳定性变差。因此，从巷道围岩位移变形来看，建议煤柱尺寸不宜小于12.5m。

(4)综合各方面考虑，隆德煤矿区段煤柱的留设宽度不宜小于12.5m，在12.5～15.0m范围从安全维护和资源回收方面均是合理的。