综采工作面区段窄煤柱尺寸研究

2020-03-19张冬冬

同煤科技 2020年1期

张冬冬

(山西兰花集团莒山煤矿有限公司，晋城0480027)

0 引言

区段煤柱是维护工作面回采巷道围岩稳定的重要隔离体，对工作面安全开采具有重要意义[1-3]。莒山矿开采3 号煤属于优质焦煤，以往的工作面开采过程中区段煤柱留设尺寸较大，造成了煤炭资源的大量损失，随着3 号煤层资源储量越来越少，为延长矿井服务年限，提高煤炭资源的采出率，急需对区段煤柱尺寸进行优化研究。本文以莒山矿f3202综采工作面回风顺槽为工程背景，对区段煤柱进行了研究。

1 工作面概况

f3203工作面所采的3号煤层位于山西组下部，煤层厚5.5 m～8.15 m，平均厚6.18 m，煤层平均埋深136 m，煤层结构简单，含0～2 层矸石。该煤层稳定可采，煤层顶板以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩为主，局部发育薄层泥岩伪顶；底板岩性为泥岩、砂质泥岩。工作面设计长度150 m，推进长度1 200 m，采用综放工艺回采，其中采2.2 m，放4 m，端头不放煤。

f3203回风顺槽沿底板沿空掘进，巷道设计为矩形断面，巷道东侧为区段煤柱，西侧为f3203 工作面，规格为3 000 mm×3 000 mm，考虑支护厚度，回风顺槽掘进断面设计尺寸为3 200 mm×3 100 mm。巷道采用锚杆及锚索联合支护，顶板锚杆采用高性能螺纹钢锚杆，规格为φ 20 mm×2 000 mm，顶锚杆和帮锚杆间排距均为800 mm×800 mm；锚索直径为φ 15.24 mm，锚索长度为8 300 mm，锚索采用2-0-1-0方式布置，间排距为1 600 mm×1 600 mm。

2 区段煤柱尺寸理论研究

f3201 工作面回采过程中煤层上覆岩层会发生破断运移，工作面回采结束后采空区侧向上覆岩层破断运移会逐渐趋于稳定，在采空区侧向区域内会出现破碎区、塑性强化区、弹性应力增高区和原岩应力区[4-6]，根据极限平衡理论，采空区侧向塑性区与弹性区域的交汇处处于极限平衡状态，并满足如下应力平衡方程：

通过计算，可得出采空区塑性区域宽度公式为：

式中：m 为煤层采高，取割煤高度2.2 m；K 为应力集中系数，取2；λ为覆岩侧压系数，λ=μ/(1-μ)，μ取0.23；γ为上覆岩层容重，取25 kN/m3；H 为巷道埋藏深度，取136 m；C 为煤层弹塑性交汇处内聚力，取1.06 MPa；φ0为弹塑性交汇处内摩擦角，取27°；px为锚杆对巷道的侧向压力，取0.15 MPa。

将各参数代入式2中可得L0=2.73 m。

一次采动影响后，区段煤柱由塑性区和锚杆支护区组层，根据理论分析，采空区侧向塑性区域宽度为2.73 m，f3203 回风顺槽锚杆有效支护长度为2.0 m，则巷道东侧区段煤柱最小极限宽度为5.73 m。

3 数值模拟研究

结合实际开采地质条件，采用FLAC3d 数值模拟软件建立数值计算模型，模型尺寸为长(X)×宽(Y)×高(Z)=300 m×300 m×60 m，剩余上覆岩层采用均布载荷代替，模型底部限制垂直位移，两侧限制水平位移。模型采用摩尔-库伦准则，大应变变形模式，模型主要物理力学参数见表1。结合理论分析本次模拟分别分析区段煤柱宽度4 m、6 m、8 m、10 m时应力变形情况。

表1 岩层物理力学参数表

图1为数值模拟分析不同宽度条件下煤柱垂直应力分布规律，由图可知，当煤柱宽度为4 m～6 m时煤柱所受垂直应力为4 MPa～6 MPa，巷道另一侧实体煤帮所受应力相对较大，高达22 MPa～24 MPa；当煤柱宽度为8 m 时煤柱中部所受应力有所增大，最大应力10 MPa～12 MPa，实体煤帮应力为22 MPa；宽度为10 m时煤柱所受应力突然大幅度增大，最大应力高达24 MPa，煤柱结构稳定性大幅度降低，不利于巷道维护。

图1 不同宽度煤柱所受垂直应力

由图2 可知，随着煤柱宽度的增大巷道变形逐渐减小。当煤柱宽度为4 m 时巷道顶板最大变形量为285 mm，煤柱帮变形量为212 mm，实体煤帮变形量为170 mm，底板变形量为141 mm；随着煤柱宽度的增大巷道变形量大幅度减小，当煤柱宽度为8 m 时巷道顶板下沉量为180 mm，煤柱帮变形量为153 mm，实体煤帮变形量为122 mm，巷道底板变形量为75 mm。随着煤柱宽度的进一步增大巷道围岩变形量基本稳定。

图2 沿空巷道围岩变形曲线

4 区段煤柱尺寸确定

根据理论分析，区段煤柱最小宽度为5.73 m；根据数值模拟，当煤柱宽度为8 m 及以内时煤柱所受应力相对较小，高应力主要集中于实体煤帮，当煤柱宽度大于为10 m时煤柱所受应力大幅度增大，煤柱结构稳定性减弱，不利于后期采动期间的巷道维护，因此区段煤柱宽度应在10 m 以内；当煤柱宽度为8 m 及以上时巷道围岩变形量逐渐趋于稳定，且围岩变形量相对较小，因此煤柱不宜小于8 m。结合理论分析及数值模拟结果综合考虑，区段煤柱尺寸为8 m。