基于数值模拟的综放工作面煤柱宽度设计

邹忠辉

(山西汾西矿业集团高阳煤矿，山西 孝义 032300)

引 言

在我国煤矿开采实现高产高效的过程中，厚煤层开采的重要性不言而喻，目前厚煤层的产量、储量在全国煤炭的产、储量中所占的百分比高达40%～50%[1-2]。而厚煤层开采，其回采巷道多布置在煤层中并沿煤层底板掘进，而且相邻工作面之间留设区段煤柱是目前国内井工煤矿保护采准巷道的普遍做法。但是留设煤柱护巷不可避免地造成煤炭资源的损失，尤其对于厚煤层来说，煤炭损失情况更为严峻。据统计，因区段煤柱的留设在一个采用综放设计的采区中所造成的煤炭损失比例为9%～10%，而如果在采区的区段煤柱设计时采用小煤柱护巷或者沿空掘巷、沿空留巷，则可将煤柱损失大幅降低[3-5]。而煤柱尺寸的缩小，又可能会引起巷道围岩控制难题，影响巷道的安全性、稳定性和使用性。因此，要采取先进的支护技术和优化理论去探讨两者间的平衡点，在满足安全生产要求的条件下，尽可能地减小煤柱尺寸宽度，以减少煤炭资源损失，提高煤炭采出率。本文针对某矿2水平南部采区的区段煤柱宽度进行优化设计，以期得到一个最佳煤柱尺寸，实现安全及效益最大化。

1 工程概况

该矿2水平南部采区煤层厚度平均6.88 m，埋深169 m～190 m，实测煤层顶底板情况如下：老顶为中细砂岩，厚度5 m～7 m，岩性为灰黄色砂岩含黑色条带。直接顶为细砂岩，厚度5 m，岩性为灰白色细砂岩，局部变为砂质页岩。直接底为砂质泥岩，厚度2 m，岩性为黑色含植物化石，局部变为泥岩。老底为细砂岩，厚度5.5 m，岩性为灰色细砂岩。该矿在2#厚煤层采用综采放顶煤技术时，一般沿煤层底板开掘工作面运输巷、回风巷及开切眼，巷道顶板和两帮均为煤体，面临全煤巷道的支护问题。

2 区段煤柱设计原则分析

通过实践经验及文献检索，前人对区段煤柱的留设问题研究较多，区段煤柱的设计原则主要有以下几个方面[6-7]：一是必须躲避应力集中区，一侧工作面回采后，会在相邻区段形成侧向支承压力集中区和降低区，并在采空区远处达到原岩应力区，如第128页图1所示，巷道应尽量布置在应力降低区，躲避应力集中区；二是煤柱尺寸的设计必须考虑巷道围岩的控制问题，过窄的煤柱会导致煤柱整体发生塑性破坏，导致围岩控制困难，且无法为打设锚杆提供一个足够的锚固稳定区；三是煤柱尺寸的设计必须结合并配套有科学的支护方案设计，科学有效的支护方案能够尽可能地减小煤柱尺寸并对围岩变形进行有效控制，但更小的煤柱尺寸又会依赖于支护效率及成本的提高，故煤柱尺寸和支护设计应找好平衡点。

我国煤矿常用的区段煤柱留设即区段巷道的掘进位置主要有4种，如图1所示。即在采空区边缘不留煤柱的沿空掘巷(位置1)，在内应力场中留小煤柱的沿空掘巷(位置2)，在外应力场中的中煤柱护巷(位置3)以及在原岩应力区的大煤柱护巷(位置4)。图中Hγ代表原各应力，k代表应力集中系数，kHγ代表应力峰值。从煤体上方支承压力分布规律可以看出，在位置3掘进的巷道，正处于支承压力高峰区，巷道最难维护；在位置4掘进的巷道，虽然处于原岩应力状态较为容易维护，但需留设大煤柱，不利于煤炭资源回收率的提高。在内应力场中的无煤柱沿空掘巷(位置1)虽然能充分回采煤炭资源，但存在巷道漏风、上区段采空区残煤自然发火等不利因素。因此，沿空掘巷理论上的最佳位置是图1中的位置2，即在内应力场中采用留设小煤柱沿空掘巷。

图1 采空区侧向支承压力分布及掘巷位置示意图

3 数值模拟优化分析

根据以上研究成果，在内应力场中采用留设小煤柱沿空掘巷最有利，而对于具体的地质生产条件，小煤柱的尺寸如何留设，则需要进一步研究，本文即针对该矿2水平南部采区22110工作面的具体地质模型及工程条件，数值模拟研究22110工作面上顺槽与邻近已采工作面采空区间区段煤柱的尺寸问题。在进行具体不同尺寸的煤柱优化模拟之前，采用了FLAC-3D程序对该矿工作面回采后引起的侧向应力分布情况进行了大体模拟，以初步确定内应力场范围，便于煤柱设计方案的确定。模拟结果表明工作面回采后引起的侧向支承压力峰值范围为距离采空区边缘8 m～15 m。据此共设计了五种不同尺寸煤柱的模拟方案，即，4 m煤柱、6 m煤柱、8 m煤柱、10 m煤柱、以及15 m煤柱，分别构建不同煤柱尺寸的计算模型，对各自煤柱尺寸支承压力作用下围岩的受力、变形情况等进行模拟研究及对比分析。

模拟结果显示：在各煤柱尺寸条件下，煤柱帮移近量最大，实体煤帮、顶板下沉和底臌量依次减小。当煤柱处于较小宽度水平时，随着煤柱宽度的增加，围岩的移近量逐渐增加，当煤柱宽度达到8 m时，各断面围岩的移近量达到最大值；随后随着煤柱宽度的增加，围岩移近量呈不断减小趋势，当煤柱宽度大于15 m时，围岩移近量逐渐趋于平稳。分析巷道围岩塑性区，煤柱帮塑性区范围较实体帮大；当煤柱宽度为6.0 m～8.0 m时，塑性区范围最大，其最大厚度为5.0 m；当煤柱宽度超过15 m以后，巷道两帮围岩塑性区呈对称发展，塑性区范围基本保持不变，趋近于原始应力区。

综合上述不同煤柱宽度时围岩的应力分布、表面位移以及塑性区分布的数值模拟结果，并结合生产实践情况及预计的支护方案情况，可以确定22110工作面上顺槽的合理护巷煤柱宽度为4 m～6 m。

4 结语

区段煤柱宽度设计的难点在于如何在对巷道进行有效支护及多回收煤炭资源之间找到平衡点，从而得到一个最佳煤柱尺寸，实现安全及效益最大化。而受限于不同的地质生产条件，在行业内暂无法对最佳的煤柱尺寸进行规定或指导，本文在文献检索、理论分析、经验总结及数值模拟的基础上，将22110工作面上顺槽的合理护巷煤柱宽度确定为4 m～6 m，对现场实践具有较为科学的指导意义。