煤炭资源开采区段煤柱尺寸数值模拟研究

汪承亮　刘洁　周上苑　张成

摘 要：煤柱是保护巷道的重要手段，合理的煤柱宽度能保持工作面和巷道的稳定。本文以实际工程概况为依据，对M51煤层进行数值模拟研究，开挖11513工作面和11511工作面之间预留小煤柱护巷。在模拟的过程中对不同宽度煤柱上测点的应力和位移进行监测，为研究区段煤柱预留合理宽度提供实验参数。通过模拟对比分析得知，6m和8m之间的位移和应力变化量最大，8m之后变化不大，所以煤柱宽度为8m时最稳定，在更经济的条件下能够较好的控制巷道的稳定性。

关键词：区段煤柱;合理宽度;数值模拟

1 绪论

煤炭作为非常重要的矿产资源，其有效促进社会的快速发展。[1]特别在我国社会与经济快速发展中做出了重要的贡献。开采过程中，预留科学合理宽度的煤柱用来保护工作面回采巷道的安全与稳定，煤柱的区段宽度，不仅是衡量一个采区开采率的一个重要标准，也是煤炭安全生产的一个重要指标。[2，3]煤柱的稳定性受多方面因素影响，其中煤柱强度是其稳定性的主导因素。一般煤柱强度主要决定于煤柱的宽高比、煤岩体岩性以及煤层覆岩对煤层的压力等。[4，5]国内外也对区段煤柱进行了大量研究，柏建彪等[6]计算分析了综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系;谢广祥等[7，8]通过理论分析、数值模拟、现场实测等方法，得出了综放面区段煤柱倾向支承压力的分布规律。李庆[9]对区段合理煤柱宽度的数值模拟与研究让我们受到启发，刘聚友等[10]对不同倾角煤层区段煤柱围岩变形进行了研究。由于贵州地区喀斯特地区的特殊性，对于近距离煤层中煤柱宽度合理性要做进一步研究和完善。本文对煤矿开采过程中存留的区段煤柱宽度等问题进行分析，并提出一些切实可行的措施，保证采集煤矿的开采率的同时实现安全生产。

2 工程概况

贵州省大方县某煤矿属整合矿井，开采深度：500m—600m。可采煤层有M51号煤层、M73号煤层。M51号煤层，位于龙潭组中部，煤层上距龙潭顶界70—80米，下距M73煤层50—60米，厚度稳定，煤岩肉眼特征为灰黑色深黑色半暗至半亮型煤，以亮煤为主，夹镜煤和暗煤，细条带状结构，块状构造，似金属光泽，贝壳状、阶梯状断口，煤岩硬度相对较大，整体上块度较好。直接顶板为粉砂岩、泥质粉砂岩，易风化崩解，遇水易膨胀、软化，为不稳定顶板。底板为粘土质粉砂岩、炭质粘土岩及粘土岩。现开采M51号煤层二采区11513工作面，11513工作面和11511工作面之间预留小煤柱护巷，为了保证覆岩稳定性，合理的煤柱宽度为本文研究的重点。

3 数值建模

以11513工作面和11511工作面为建模背景，选取预留煤柱宽度为4m、6m、8m、10m、12m，5组数据进行模拟计算，研究两个工作面挖掘后煤柱上测点的位移和应力变化，得到研究参数和结果。

3.1 開挖方案

3.2 开挖工作面后在煤柱内部进行测点布置

取煤柱上方所有的点作为测点，分别为5、7、9、11、13个测点，然后分析测点的应力和位移的变化，从而得到不同宽度煤柱之间的变化规律。如图1：

3.3 区域柱状如图2所示

3.4 岩层力学参数参照如下

4 云图分析

由6m垂直应力示意可知，工作面最大应力发生煤柱上，最大值为46.8Mpa，工作面另一侧应力最大值发生在距离采空区约7m处，最大值为42.3Mpa;8m规律大致相同，煤柱上最大应力为45.2Mpa，工作面另一侧应力最大值43.5Mpa。

由6m垂直方向位移示意可知，工作面最大的变形发生在工作面顶板处大约为4.5m，全部变形垮塌。煤柱上的变形达到3.5m，所以说6m煤柱不能很好的保护巷道。而从8m垂直方向位移示意可知，煤柱上最大变形只有1.5m左右，能够有效的保持巷道的稳定性。

5 对比分析

（1）Y方向上不同宽度煤柱应力变化对比图：

由Y方向上不同宽度煤柱应力变化对比图可知，4m煤柱不足支撑工作面，导致坍塌，所受应力变化和上覆岩层所受应力变化是基本一致的，而6m所受应力达到峰值58MP，但也只有小部分，其他地方也发生了坍塌。随着煤柱宽度增大所受应力反而减小。应力主要集中在煤柱中间。并且有少部分的高应力区。8m之后应力变化都不大，8m最大应力为45.2Mpa，10m最大应力为46.3Mpa，12m最大应力43.5Mpa，所以留设的煤柱至少大于等于8m。

（2）Y方向上不同宽度煤柱位移变化对比图：

依据y方向上不同宽度煤柱位移的对比图可以看出，随着煤柱宽度的增大，明显的看到煤柱在y方向上的位移值减小。4m时的最大位移值为3.7m，6m时的最大位移值为3.5m，留设8m时最大位移值减小到了1.4m，这里变化量最大。而后面煤柱位移值变化比较小，所以说煤柱应该大于等于8m。

6 总结

本文运用FLAC数值模拟软件对贵州省大方县某煤矿进行模拟分析，得到结论如下：

（1）建立了M51号煤层工作面区段煤柱留设的数值模拟模型，模拟了4m、6m、8m，10m、12m，5种煤柱宽度留设方案。

（2）分析了不同宽度煤柱垂直方向的应力和位移的变化规律，确定M51号煤层区段煤柱宽度不小于8m。随着煤柱的宽度不断增加，煤柱所受应力逐渐减小，在8m后变化就不大了，位移4m和6m变化比较大在3.5m左右，表现为坍塌，在8m后位移减小到了1.5m以下，后面变化不大。煤柱宽度对巷道的顶板下沉和应力分布有非常大的影响，合理的煤柱宽度能有效减缓或避免上覆岩层变形和滑落。8m的煤柱宽度能比较好的保持巷道的稳定性。

参考文献：

[1]谢和平，刘虹.煤炭革命不是“革煤炭的命”[N].上海科技报，2015-03-04.

[2]缪协兴，钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望[J].采矿与安全工程学报，2009，26（1）：1-14.

[3]王文渊.潞安西部矿区深部煤层工作面合理煤柱留设研究[D].太原：太原理工大学，2014.

[4]焦志强，史昭展，李林书.安源煤矿综采工作面内煤柱宽度的理论计算[J].煤矿安全，2013，44.

[5]刘涛.综采工作面及两巷矿压特征的数值模拟[J].山西能源学院学报，2017，30（4）：9-11.

[6]柏建彪，王卫军，侯朝炯，等.综放沿空掘巷围岩控制机制及支护技术研究[J].煤炭学报，2000，25（5）：478-481.

[7]谢广祥，杨科，刘全明.综放面倾向煤柱支承压力分布规律研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25（3）：545-549.

[8]谢广祥，杨科，常聚才.煤柱宽度对综放面围岩应力分布规律影响[J].北京科技大学报，2006，28（11）：1005-1008.

[9]李庆.区段合理煤柱宽度的数值模拟与研究[J].山东煤炭科技，2019.

[10]刘聚友，张伏龙，樊自辉，张波.不同倾角煤层区段煤柱围岩变形数值模拟研究[J].山西煤炭，2013.

作者简介：汪承亮（1997-），男，侗族，贵州人，贵州理工学院矿业工程学院学生。