浅埋厚煤层区段煤柱合理尺寸优化与研究

陈海俊 李洪蛟 陈 杨 郑 铮 魏 臻 肖 鹏

(1. 阳煤集团山西世德孙家沟煤矿有限公司，山西省忻州市，036600；2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；3.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)



浅埋厚煤层区段煤柱合理尺寸优化与研究

陈海俊1李洪蛟2陈 杨2郑 铮3魏 臻3肖 鹏3

(1. 阳煤集团山西世德孙家沟煤矿有限公司，山西省忻州市，036600；2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；3.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083)

针对浅埋厚煤层区段煤柱合理尺寸留设难题，结合某矿具体实际工程地质条件，采用理论分析、数值模拟和现场工业性试验等手段，从煤柱支承应力和塑性区分布等方面进行了研究。结果表明：随着煤柱尺寸的减小，支承应力集中程度逐渐增大，且出现支承应力最大值的位置越靠近采空侧；当煤柱尺寸过小时，巷道周围塑性区与煤柱内塑性区连接，不利于巷道稳定；综合理论分析计算、数值模拟和经济角度考虑确定煤柱合理的留设尺寸为12 m。现场工业性试验验证了12 m宽煤柱巷道变形量能够满足安全生产的要求。

浅埋厚煤层 区段煤柱 煤柱尺寸

区段煤柱是指上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设的一定尺寸的保护煤柱。区段煤柱的作用一方面是隔离采空区，另一方面是保证下区段巷道的稳定性，合理尺寸的保护煤柱对巷道围岩稳定性、资源采出率、经济效益等有着十分重要的影响。相关学者对深埋煤层沿空掘巷的煤柱尺寸留设进行了大量研究，取得了很多有益的成果，然而对浅埋厚煤层综放开采条件下的煤柱留设问题研究较少。

本文采用理论分析、数值模拟、现场实测等手段，研究了浅埋厚煤层综放开采条件下合理区段煤柱留设方法，并最终确定了煤柱留设尺寸，为类似地质条件的矿井提供了借鉴意义。

1 工程地质概况

某矿主采8#煤层，煤层结构较为复杂，煤厚为4.14～5.36 m，平均厚度为5.07 m，为典型的厚煤层。内生裂隙发育，顶板不稳定，煤层近南北走向，倾角为2°～5°。直接顶为砂质泥岩，厚度变化较大，为1.1～10.35 m，老顶为粉砂岩及中粒砂岩，厚10.97 m，以长石、石英为主，伪底为薄层泥岩，厚0.1～0.2 m，遇水易膨胀变软，直接底为半坚硬泥岩，厚15.57 m，泥质胶结，遇水易膨胀变软，老底为含砾粗砂岩，厚13.21 m，钙质胶结，以长石、石英为主。

该矿88109与88110工作面均尚未回采，88110工作面位于88109工作面以东。试验巷道为88110运输平巷，巷道断面为矩形，巷道宽度为5.0 m，高度为3.5 m，巷道埋深为114～205 m。地应力测试结果表明，该矿的地应力场属于水平构造应力场，以水平压应力为主导，最大主应力的方向为119.35°，最大主应力值为10.82 MPa，为垂直应力场的1.88倍，且主应力方向与试验巷道夹角较大。8#煤层抗压强度为7 MPa，水平应力超过单向抗压强度。煤层较厚，矿方原有的煤柱尺寸达到了35 m，受水平应力的影响，巷道变形量较大，两帮尤其明显。

2 区段煤柱尺寸理论计算

区段煤柱两侧为回采空间和采准巷道，回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性变形区。区段煤柱保持稳定的基本条件为：煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中央存在一定尺寸的弹性核，弹性核的尺寸应不小于煤柱高度的2倍，故区段煤柱保持稳定状态的最小尺寸B为：

B=x0+2m+x1

(1)

式中：x0——护巷煤柱在采空区侧的塑性区尺寸，m；

m——采高，m；

x1——护巷煤柱在巷道一侧的塑性区尺寸，m。

由于护巷煤柱的巷道一侧在回采完后也将成为采空区，因此两侧采空后塑性区尺寸基本相等，取x0=x1，这样计算煤柱尺寸有一定的安全系数。根据岩体极限平衡理论，塑性区的尺寸，即支承压力峰值与煤体(煤柱)边缘之间的距离x0的计算式如下：

(2)

式中：K——应力集中系数，取4；

m——采高，取3.55m；

H——埋深，取200m；

γ——岩体容重，取25kN/m3；

C——煤体的粘聚力，取1340kN/m2；

φ——煤体的内摩擦角，取31°；

P1——支架对煤帮的阻力，无支架，忽略不计；

f——煤层与顶底板接触面的摩擦系数，取0.29；

ξ——三轴应力系数。

根据8#煤层煤岩力学参数，并考虑开采的综合影响，综合计算可得煤柱最小留设尺寸B为11.65 m。

3 数值模拟

数值模拟模型煤柱附近网格建立如图1所示，Y方向垂直OXZ平面指向前方。模型尺寸为205 m×50 m×40 m，其中沿模型X方向中部留设不同宽度煤柱进行模拟研究，数值模型参数如表1所示。设计煤柱尺寸分别为35 m、20 m、12 m、8 m、4 m五种方案，分析在88109工作面开采(一次采动)和88110工作面开采(二次采动)条件工作面前方下不同尺寸煤柱支承压力分布和巷道围岩塑性区变化特点。

图1 数值模拟计算模型

岩性厚度/m体积模量/GPa剪切模量/GPa密度/kg·m-3摩擦角/(°)粘聚力/MPa抗拉强度/MPa粗砾岩13.222.2212.72.59359.164.32泥岩15.5714.88.92400328.33.6煤5.071.150.761470311.341.2砂质泥岩8.0313.68.52300328.33.56粉砂岩10.9723.612.52570308.513.31

3.1 煤柱围岩应力分布

不同煤柱尺寸条件下垂直应力分布模拟结果如图2所示。

根据图2中不同煤柱尺寸条件下垂直支承应力云图，可以设置监测点求出沿煤柱宽度方向应力变化情况，结果如图3所示。

图2 不同煤柱宽度应力分布

图3 不同煤柱尺寸支承应力变化曲线

由图3可知，当煤柱尺寸分别为35 m、20 m、12 m、8 m 和4 m时，支承应力最大值分别对应为9.58 MPa、9.52 MPa、10.2 MPa、11.8 MPa和11.98 MPa，整体呈现出随着煤柱尺寸减少，支承应力最大值逐渐增大的趋势。从支承应力出现最大值的位置来看，最大值的位置距采空侧煤柱帮分别为4.5 m、4.5 m、3.5 m、3.5 m和2 m，由此可知，当煤柱尺寸为35 m、20 m和12 m时，出现支承应力最大值的位置更靠近88109工作面一侧，对巷道的稳定性更加有利。而当煤柱尺寸为8 m 和4 m时，煤柱中支承应力集中度较高，煤柱破坏严重，不利于巷道的布置，故煤柱的留设尺寸应不小于12 m。

3.2 塑性区破坏特征

不同煤柱宽度条件下塑性区分布情况如图4所示，从图中可知，当煤柱尺寸为35 m、20 m、12 m、8 m和4 m时，巷道周围塑性区范围大体相同，但煤柱内的塑性区分布略微不同。

当煤柱尺寸为4 m时，巷道围岩塑性区与采空侧塑性区连接，巷道有垮塌危险；当煤柱尺寸为8 m时，煤柱内弹性核尺寸为2 m，弹性核尺寸过小，不利于对巷道煤柱帮的控制；当煤柱尺寸为12 m时，巷道在煤柱侧的塑性区范围略大，此时，应加强对巷道煤柱帮的控制；当煤柱尺寸为20 m和35 m时，煤柱内及巷道周边塑性区分布大体一致，从节约资源的角度考虑，35 m煤柱尺寸过大。由数值模拟结果可知，煤柱最佳尺寸选择在12～20 m较为合理。

3.3 煤柱尺寸确定

数值模拟计算的煤柱尺寸考虑了开采深度、煤层采动影响、煤体的力学参数、三轴应力、矿井实际条件等多方面因素影响，确定的尺寸相比理论计算更为合理。通过理论分析计算得到煤柱合理尺寸为11.65 m，而通过数值模拟分析得出合理尺寸在12～20 m之间，从而最终确定留设12 m宽度的保护煤柱进行工业性试验。

图4 不同煤柱尺寸巷道塑性区分布

4 工业性试验

为验证留设12 m宽煤柱的合理性，工程实践选择在88109回风巷与88110运输巷的35联巷与40联巷之间留设12 m的煤柱，并对巷道进行深基点位移监测。其中深基点位移监测分为掘进、一次采动和二次采动3个阶段。

(1)掘进阶段。在试验巷道掘进过程中，对顶板、两帮各测站进行了深基点位移观测，测试结果表明，顶板、两帮变形量均很小，控制在5 mm以内。

(2)一次采动影响阶段。试验巷道距88109切眼距离为200 m，当88109工作面推至距观测站100 m时开始一次回采影响阶段观测，到工作面推进400 m后观测结束。以5号测站为例，观测结果如图5所示。

由图5深基点位移监测可以看出，在超前工作面0～100 m范围内，巷道顶板及两帮变形量极小。当该工作面推过5号测站后，受采空区顶板垮落、下沉影响，顶板深基点位移未发生变化；两帮变形量逐渐增加，滞后工作面250 m时变形趋于稳定。

(3)二次采动影响阶段。当88110工作面推进至距5号测站80 m位置时开始第三阶段观测。二次采动影响阶段的巷道变形结果如图6所示。

图5 一次采动影响阶段巷道深基点位移变化

图6 二次采动影响阶段巷道深基点位移变化

由图6监测结果可知，受88110工作面超前采动影响，5号测站深基点位移量随着距工作面的距离减小而增大；在工作面距5号测站由80 m位置向40 m位置推进过程中，巷道位移速率增速较缓；当88110工作面与5号测站距离小于40 m后，巷道位移增长速率明显加快，直到工作面推过测站。

根据深基点位移监测结果可知，留设12 m煤柱条件下，受一次采动影响后，巷道两帮最终变形量分别为68 mm、138 mm，顶板变形量几乎为0；受二次采动影响时，巷道两帮变形量分别为213 mm、305 mm，顶板变形量为52 mm；巷道受二次采动超前应力影响下变形量相对较大，就整体而言，巷道变形量可以接受，且巷道在服务期间较为稳定，未发生大规模片帮或鼓胀现象，可以满足巷道服务期间的使用要求。综上所述，留设12 m 煤柱的方案合理可行。

5 结论

(1)根据理论分析计算得出，某矿主采8#煤区段煤柱的合理留设尺寸为11.65 m。

(2)数值模拟研究结果表明：当煤柱尺寸过小时，巷道周围塑性区与煤柱塑性区连接，巷道稳定性极差；随着煤柱尺寸的逐渐减小，支承应力集中程度逐渐增大，且支承应力最大值出现的位置越靠近采空侧；确定了该矿浅埋厚煤层煤柱尺寸合理留设尺寸范围为12～20 m。

(3)综合理论计算、数值模拟与现场试验得到的结果，最后确定该矿8#浅埋厚煤层区段煤柱的留设尺寸为12 m。

(4)通过工程验证，留设12 m煤柱的巷道变形量整体不大，变形集中在两帮，两帮的最终变形量分别为213 mm和305 mm，能够满足安全生产的要求。

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(责任编辑 郭东芝)

Optimization and research of rational size of section coal pillar in shallow-buried thick coal seam

Chen Haijun1, Li Hongjiao2, Chen Yang2, Zheng Zheng3, Wei Zhen3, Xiao Peng3

(1. Shanxi Shide Sunjiagou Coal Mine Co., Ltd., Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd., Xinzhou, Shanxi 036600, China;2. China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China;3. College of Resources and Safety Engineering, China University of Mining and Technology,Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

Aiming at the problem of rational size of section coal pillar in shallow-buried thick coal seam, combined with practical engineering geological conditions, distribution rules of coal pillar bearing stress and plastic zone were studied by theoretical analysis, numerical simulation and field industrial tests. The results showed that the concentration degree of bearing stress increased with the decreasing of pillar size, and the location of maximum bearing stress was more close to goaf; when the pillar size was too small, the plastic zone around roadway was connected with the plastic zone in pillar, which was against roadway stability; in the end, combined with the results of theoretical analysis and calculation, numerical simulation and economy analysis, the rational width of coal pillar was determined as 12 m. The industrial tests verified that the roadway deformation could meet the requirement of safety production.

shallow-buried thick coal seam, section coal pillar, coal pillar size

陈海俊，李洪蛟，陈杨等. 浅埋厚煤层区段煤柱合理尺寸优化与研究[J]. 中国煤炭，2017,43(7)：89-93. Chen Haijun, Li Hongjiao, Chen Yang, et al. Optimization and research of rational size of section coal pillar in shallow-buried thick coal seam[J]. China Coal, 2017, 43 (7):89-93.

TD823

A

陈海俊(1981- )，男，山西省介休人，采矿工程师，中国矿业大学采矿工程专业硕士毕业，现从事采掘技术及矿井设计管理方面相关工作。