平岗煤矿回采巷道煤柱留设尺寸优化研究

马平云 MA Ping-yun

（黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨 150000）

0 引言

随着矿井开采深度增加，矿井地质条件日趋复杂，极易受到高地压、高温以及采空区火灾防治等因素的影响，针对以上问题，无煤柱开采技术虽为当前主流开采技术，但在此条件下会受到一定的限制，留设保护煤柱仍是较为常见的一种方式。平岗矿曾尝试过沿空留巷无煤柱开采技术，但因正常回采期间，巷道变形量大、返修次数多、返修与维护成本高，且影响回采工作面正常回采，故只能采用留煤柱的方式布置接续面回采巷道。因此，如何在保证回采巷道稳定的状态下，尽可能减少煤柱的留设宽度成为必须思考的问题。

国内外学者对此展开了一系列研究，柏建彪[1]分析了支护强度和煤柱宽度煤柱稳定性的影响，表明高强度锚杆对窄煤柱的整体强度提高具有重大意义，尤其是对软煤更甚。并提出软煤和中硬煤的合理煤柱宽度。李金刚等[2]通过利用FLAC3D数值模拟软件模拟不同煤柱宽度情况下沿空巷道侧向支承压力、垂直应力、水平应力、垂直位移、水平位移的分布特征，确定了沿空巷道合理布置位置及合理煤柱尺寸。田建设等[3]分析巷道巷间煤柱应力分布规律，确定深部高应力巷间煤柱侧向支承压力分布特征，并模拟分析工作面多次回采影响下的不同宽度煤柱应力场分布特征，结合现场实验确定深部高应力条件下合理巷间煤柱宽度。常瀚文等[4]采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的研究方法，计算得出煤柱的合理宽度，进行对比分析得出护巷煤柱的合理留设宽度。并进行工程实践，现场实测结果表明，确定的护巷煤柱宽度和支护参数围岩控制效果较好，煤柱相对稳定。王寅等[5]通过理论分析结合数值模拟的研究方法，研究了回采巷道煤柱不同尺寸对回采巷道围岩应力及塑性区分布特征的影响规律。结果表明：采动应力及不同煤柱尺寸对巷道围岩塑性区变化规律具有显著影响。且根据理论计算结合数值模拟得到合理的煤柱宽度。

上述研究在煤柱合理留设尺寸的确定方面取得了不少成果，但针对平岗矿复杂的地质条件来说，这些研究成果是否适用，还需进一步的探索，据此，本文提出开展平岗矿33#煤层合理留设尺寸优化研究，保证围岩稳定的同时为矿井最大限度减少煤炭损失提供理论和技术支持，同时也为同类条件下煤柱合理留设尺寸的确定提供参考。

1 地质概况

33#煤层右一面位于平岗煤矿底部南翼采区，回采区域上方无采空区。工作面与地表垂深为650～680m。走向长度405m，倾向长度124m，平均倾角18°，煤层平均厚度为2.1m。工作面采用走向长壁后退式采煤法。巷道断面为梯形，净断面尺寸：宽为4.0m，中高为2.55m。净断面面积为10.2m2。煤层顶底板情况为：直接顶和直接底均为粉砂岩，厚度为9.6m 和8.4m。

2 煤柱合理留设尺寸理论分析

煤柱留设尺寸既与回采巷道围岩稳定性和布置位置有关，也对矿井资源采出率有影响。煤柱合理留设尺寸的确定既决定巷道与回采空间之间的水平距离，也会使工作面回采后引起的侧向支承压力对巷道的稳定性和煤柱的承载能力产生影响。

当煤柱一侧为上区段回采工作面回采后成的采空区时，煤柱的临侧两边均会形成一定范围的塑性变形区。煤柱弹塑性区的分布形式为两侧塑性区，中间弹性区。在这个变形范围内，对塑性区宽度进行计算[4，6]。

煤柱计算公式[7]为：B=X1+X2+X3

式中：X1—采空区侧煤体中的塑性区宽度，m；X2—锚杆的有效长度，m；X3—保持煤柱稳定的安全宽度，m。

根据极限平衡理论，煤柱采空侧塑性区宽度X1为：

其中，侧压系数为：

化简得：

式中：h—工作面煤层开采厚度，m；

φ—内摩擦角，°；

c0—黏聚力，MPa；

k—应力集中系数；

H—埋深；

p0—煤帮支护阻力。

根据地质条件及力学参数测试，可知工作面煤层开采厚度为2.1m，内摩擦角为30°，粘聚力为1.51MPa，应力集中系数取1.5，埋深取660m，煤帮支护阻力为0.5MPa，锚杆有效长度X2=1.74m。保持煤柱稳定的安全宽度X3，按照经验取（0.3～0.5）（X1+X2）。根据公式得到塑性区宽度为X1=2.74m，安全宽度X3为1.12～1.87m，因此，煤柱留设宽度为5.83～6.72m。

3 不同煤柱宽度数值模拟

FLAC3D软件是ITASCA 公司研发的有限差分计算软件，具有二维算法和三维算法两种版本。在地下工程应用中有出色的模拟计算效果，能很好地分析出工程中连续介质的力学性质，在世界范围的工程研究中有广泛的应用[8]。

为确定煤柱合理留设宽度，依据工程背景地质条件，采用FLAC3D软件建立不同煤柱宽度（3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m）数值模型，对不同煤柱宽度下围岩应力及塑性破坏特征进行分析。

3.1 不同煤柱宽度垂直应力分布

为揭示不同煤柱宽度对围岩应力分布的影响，对不同煤柱宽度下巷道围岩垂直应力云图进行分析，如图1所示。

图1 不同煤柱宽度围岩应力云图

由图1（a）～（h）可知：

煤柱宽度为3m，煤柱内最大支承压力为5MPa，煤柱内无明显应力集中，实体煤侧支承压力峰值为30MPa；煤柱宽度为4m，煤柱内应力集中峰值为8.5MPa，实体煤侧支承压力峰值为30.35MPa；煤柱宽度为5m，煤柱内应力集中峰值为12.5MPa，实体煤侧最大支承压力为31.02MPa；煤柱宽度为6m，煤柱内应力集中峰值为18.75MPa，实体煤侧最大支承压力为30.11MPa；煤柱宽度为7m，煤柱内应力集中峰值为25.6MPa，实体煤侧应力集中峰值为30.03MPa；煤柱宽度为8m，煤柱内应力集中峰值为34.51MPa，实体煤侧应力集中峰值为26.5MPa；煤柱宽度为9m，煤柱内应力集中峰值为36.19MPa，实体煤侧应力集中峰值为27.5MPa；煤柱宽度为10m 与9m 相比时，10m 煤柱内应力集中程度明显大于煤柱9m，且影响范围也较大。

为量化分析不同煤柱宽度巷道围岩应力分布差异，对不同煤柱宽度下围岩垂直应力数据进行提取，可知煤柱宽度在3～6m 范围，随煤柱宽度增加，实体煤侧应力集中峰值大小略有降低，峰值位置不变；煤柱内应力集中峰值逐渐增加，由5MPa 增加至12.5MPa，但增加幅度较小，且峰值位置由巷帮向煤柱内部转移。煤柱宽度在7～10m 范围，随煤柱宽度增加，实体煤侧应力集中峰值大小略有降低，峰值位置不变；煤柱内应力集中峰值增加幅度较大，由16.1MPa 增加至31.5MPa，且峰值位置由巷帮煤柱浅部向煤柱深部转移。由此可得，煤柱在5～7m 范围内，实体煤侧应力峰值较大，但距巷帮距离较远；煤柱内应力集中峰值较小，且距巷帮距离较远，因此，可得煤柱宽度5～7m 较为合理。

3.2 不同煤柱宽度塑性破坏特征

为揭示不同煤柱宽度对围岩塑性破坏特征的影响，对不同煤柱宽度下巷道围岩塑性区云图进行分析，不同煤柱宽度塑性区云图如图2 所示。

图2 不同煤柱宽度塑性破坏云图

由图2 可知，随煤柱宽度由3m 增加至7m，煤柱内塑性破坏范围逐渐增加，巷道上方顶板破坏范围逐渐减小，说明煤柱宽度越大，其承载性能越高，塑性区分布范围也越小，巷道范围破坏情况有所好转。当煤柱宽度在8～10m范围，受采动应力影响较为强烈，煤柱塑性破坏范围较大，煤柱内承载力也越大，同时考虑到资源浪费的问题，不建议选择。由此得出，通过分析不同煤柱宽度塑性破坏情况，得出煤柱宽度在5～7m 较为合理。

结合理论计算结果综合分析可知，当煤柱的合理留设尺寸在6m 时，巷道围岩较为稳定。

4 结论

文章采用理论分析结合数值模拟计算煤柱的合理尺寸，建立模型，模拟不同煤柱宽度下围岩应力及塑性破坏特征并进行分析，得出煤柱合理宽度。

①通过极限平衡理论计算可得出煤柱塑性区宽度为2.74m，煤柱尺寸在5.83～6.72m。

②通过数值模拟分析不同煤柱宽度围岩应力及塑性破坏特征，可得煤柱在5～7m 范围内时，实体煤侧应力峰值较大，但距巷帮距离较远，煤柱内应力集中峰值较小，且距巷帮距离较远。说明煤柱宽度在5～7m 较为合理。当煤柱宽度由3m 增加至7m 时，煤柱内塑性破坏范围逐渐增加，巷道上方顶板破坏范围逐渐减小，说明煤柱宽度越大，其承载性能越高，塑性区分布范围也越小，巷道范围破坏情况有所好转，当煤柱宽度在8～10m 范围，受采动应力影响较为强烈，煤柱塑性破坏范围较大，煤柱内承载力也越大，同时考虑到资源浪费的问题，不建议选择。说明煤柱宽度在5～7m 较为合理。

由此综合分析得出煤柱合理尺寸为6m 为最优。