三元福達煤業(yè)大采高區(qū)段煤柱優(yōu)化分析

張炳林

（山西煤銷集團長治有限公司，山西長治 046000）

三元福達煤業(yè)大采高區(qū)段煤柱優(yōu)化分析

張炳林

（山西煤銷集團長治有限公司，山西長治 046000）

針對三元福達礦區(qū)段煤柱設(shè)計偏大、采區(qū)采出率較低的生產(chǎn)實際問題，綜合采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬、理論計算等方法，對三元福達礦大采高區(qū)段煤柱寬度進行優(yōu)化分析。理論分析與現(xiàn)場實測表明：煤柱采空區(qū)側(cè)形成的的塑性區(qū)寬度為6.31m，工作面回采擾動形成的塑性區(qū)寬度為6～8m，煤柱內(nèi)彈性區(qū)寬度取4.31m。據(jù)此結(jié)合煤層賦存條件，通過三維數(shù)值模擬軟件對不同煤柱寬度下應(yīng)力及位移分布特征進行了分析，確定區(qū)段煤柱合理寬度為19m。

大采高；塑性區(qū)；區(qū)段煤柱；優(yōu)化分析

煤層開采過程中，煤柱作為護巷、巖層控制及防水隔離的方法，一直沿用至今。煤柱尺寸的留設(shè)關(guān)系到巷道受采動破壞的程度，是影響工作面采動期間巷道圍巖穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素。隨著開采程度的加大，煤炭資源日益減少，國內(nèi)大多數(shù)礦區(qū)已針對煤柱合理寬度的留設(shè)開展了相關(guān)的研究工作，并進行了應(yīng)用實踐，且取得了較為顯著的經(jīng)濟效益。目前國內(nèi)外學(xué)者針對煤柱合理寬度的留設(shè)進行了大量的研究工作[1-3]，主要集中在：基于礦山壓力巖層理論確定的煤柱寬度計算方法；運用數(shù)值模擬軟件分析煤柱變形規(guī)律，確定合理煤柱留設(shè)尺寸；根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，通過數(shù)理統(tǒng)計、歸納得出合理煤柱留設(shè)尺寸；根據(jù)巖體極限平衡理論，分析護巷煤柱合理寬度計算公式；分析煤柱塑性區(qū)寬度的計算公式。筆者在調(diào)研三元福達礦煤層具體賦存條件及回采巷道布置現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，綜合采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬、理論計算等方法對三元福達礦大采高區(qū)段煤柱寬度進行了優(yōu)化研究。

1 基本概況

三元福達煤礦目前主采15號煤層，煤層厚度3.70～4.97m，平均4.47m，含1-4層泥巖及炭質(zhì)泥巖夾矸，埋藏深度220～400m，煤層傾角2°～14°，平均普氏硬度系數(shù)0.96。煤層直接頂多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，普氏硬度系數(shù)2.8～3.7，基本頂為粉砂巖、細砂巖，普氏硬度系數(shù)6.9～10.1。

15號煤層采用一次采全高大采高開采技術(shù)，工作面傾向長度180m，順槽斷面呈矩形，掘進凈斷面寬4.5m，高4.0m，采用錨網(wǎng)索進行支護，設(shè)計區(qū)段煤柱寬度25m。鑒于礦井煤炭資源儲量少、服務(wù)年限短的問題，在確保煤礦安全生產(chǎn)的前提下，科學(xué)合理地確定煤柱寬度，以減少煤柱損失量、提高礦井的資源回收率，延長礦井服務(wù)年限對三元福達煤礦而言具有重要意義。

2 煤柱內(nèi)塑性區(qū)及彈性區(qū)寬度確定

2.1 采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度

工作面推進后，采場周邊煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力重新分布，自煤柱體邊緣至煤體深處，依次呈現(xiàn)破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)。已有研究成果將模型簡化為彈性力學(xué)的平面應(yīng)變問題[4]，經(jīng)推導(dǎo)計算，得塑性區(qū)寬度R0為：

根據(jù)三元福達礦15號煤巖物理力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果[5]，代入得工作面回采后采空區(qū)造成的塑性區(qū)寬度R0為6.31m。

2.2 巷道側(cè)塑性區(qū)寬度實測分析

為更清楚的掌握采動過程中煤體內(nèi)塑性區(qū)的變化特征，采用KS-II型鉆孔應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，針對工作面回采階段煤柱側(cè)應(yīng)力分布特征進行實時監(jiān)測。統(tǒng)計分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，見圖1。由圖可知，采動期間煤柱內(nèi)應(yīng)力變化特征：煤柱內(nèi)3m深度處開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，6～8m深度處為應(yīng)力峰值區(qū)域，10m以外為原巖應(yīng)力狀態(tài)，隨工作面推進應(yīng)力不再發(fā)生變化。

根據(jù)上述分析可知，工作面回采造成的煤柱內(nèi)塑性區(qū)寬度R為6.0～8.0m。

2.3 煤柱彈性區(qū)寬度確定

回采實踐表明，護巷煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，煤柱中央仍能保持一定寬度的彈性核區(qū)。研究表明[6]，其采空區(qū)側(cè)及巷道側(cè)彈性區(qū)寬度為：

采空側(cè)彈性區(qū)寬度

巷道側(cè)的彈性區(qū)寬度

代入式（2）（3），得L+L1+L2=2.39+1.92=4.31m.

綜合上述分析，初步確定三元福達煤業(yè)大采高煤柱寬度B=R0+R+L=6.31+（6.0～8.0）+4.31＝16.62～ 18.62m。

3 合理區(qū)段煤柱寬度模擬分析

3.1 模擬方案

為了更合理的評價煤柱的穩(wěn)定性及煤柱寬度的合理性，采用FLAC數(shù)值模擬軟件進一步進行了驗證分析。選取14m、16m、18m、20m、22m、24m、26m及28m不同寬度煤柱，對煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布特征及破壞情況進行了分析。模型尺寸為500m×200m，上邊界施加垂直載荷5 MPa，以模擬上覆巖層重力，左右邊界施加水平位移約束，模型如圖2所示。

3.2 結(jié)果分析

圖3、圖4為不同煤柱寬度下應(yīng)力分布特征及分布曲線。分析煤柱內(nèi)應(yīng)力分布特征可知，當煤柱寬度小于18m時（見圖3-a、3-b及圖4），煤柱兩側(cè)側(cè)向支承壓力在煤柱內(nèi)相互疊加，支承壓力表現(xiàn)為“單峰”現(xiàn)象，煤柱內(nèi)載荷急劇增大，集中應(yīng)力達到42 MPa；當煤柱寬度增加至18m及18m以上時（見圖3-c至3-h及圖4），煤柱內(nèi)支承壓力出現(xiàn)了明顯的“雙峰”現(xiàn)象，兩側(cè)峰值明顯減弱；當煤柱為20m時，煤柱中央出現(xiàn)了7m左右的彈性核區(qū)，當煤柱寬度繼續(xù)增加時，煤柱中彈性核區(qū)不斷擴展。

圖5為不同寬度煤柱下巷道煤壁的變形位移曲線，分析煤柱煤幫變形規(guī)律可知，當煤柱寬度由14m增加至28m的過程中，巷道煤幫變形位移量呈現(xiàn)先急劇減小，后逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。當煤柱寬度達到18m時，巷道煤幫變形位移量由0.53m降至0.39m，且開始逐漸趨于穩(wěn)定；當繼續(xù)增加煤柱寬度至20m以上時，巷道煤幫變形量變化幅度較小，趨于穩(wěn)定。

綜合以上不同寬度下煤柱圍巖應(yīng)力及變形位移分析，建議煤柱寬度應(yīng)不低于18m。

4 結(jié)束語

綜合現(xiàn)場實測、理論計算及數(shù)值模擬方法對三元福達煤礦15號煤層大采高開采合理區(qū)段煤柱進行了分析，最終確定合理區(qū)段煤柱寬度為19m。該研究成果為國內(nèi)相似礦井的巷道布置提高了理論基礎(chǔ)，對于緩解礦井資源緊張，提高資源回收率具有重要意義。

Optimization on Large-mining-height Section Coal Pillars in Sanyuan Fuda Mine

ZHANG Binglin
(Changzhi Co.,Ltd.,Shanxi Coal Transportation and Sales Group,Changzhi 046000,China)

In Sanyuan Fuda Mine,there are some problems in production such as large section coal pillars and lowmining rate.The pillar width in large-mining-height section was optimized through an integratedmethod with fieldmeasurement,numerical simulation and theoretical calculation.The study results show that the width of plastic zone caused bymined-out area,bymining disturbance,and in the pillars is 6.31m,6.0m-8.0m,and 4.31m,respectively.Based on occurrence condition,the 3D numerical simulation on the stress and displacement distribution under different pillar widths determines the rational width ofthe section pillars tobe 19m.

large-mining-height;plastic zone;section coal pillar;optimization analysis

TD322

A

1672-5050（2015）05-0058-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.019

（編輯：樊敏）

2015-05-18

張炳林（1965-），男，山西長治人，大學(xué)本科，高級工程師，從事生產(chǎn)技術(shù)及管理工作。