相鄰工作面合理煤柱尺寸的確定

張海紅，樊 睇

（昆明煤炭科學(xué)研究所，云南 昆明650200）

工作面在開挖時(shí)，往往會(huì)受到相鄰工作面的影響，由于工作面間的煤柱受到連續(xù)采動(dòng)，其破壞程度尤其較大，如果區(qū)間煤柱發(fā)生了垮塌，無疑會(huì)影響到煤層開挖進(jìn)度，甚至造成塌面等嚴(yán)重事故。保證煤柱穩(wěn)定的關(guān)鍵是煤層仍有部分區(qū)域處于彈性階段，從而可以保證煤柱的支撐效果。因此，如何確定煤柱合理的寬度，就成了鄰近工作面開采的重要影響因素。

因此為了確定合理的鄰近工作面的煤柱尺寸，本文以辛置煤礦綜采準(zhǔn)備隊(duì)2－105工作面2＃煤層為研究目標(biāo)，通過數(shù)值模擬分析，分析不同煤柱尺寸時(shí)的應(yīng)力及位移情況，并以此為基礎(chǔ)得出該地質(zhì)條件下合理的煤柱尺寸，為2＃煤層綜掘面合理鄰近工作面煤柱尺寸的確定奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)工作面基本條件

本工作面為310m水平一采區(qū)西部，北距2－103工作面采空區(qū)14m，南距2－107工作面采空區(qū)65m，東面為310m一采區(qū)軌道巷、皮帶巷。由于回采煤層為厚煤層，表土較厚，且為條帶面開采，回采后會(huì)出現(xiàn)裂縫，對(duì)地面無影響。

煤層厚度較穩(wěn)定，煤層傾角穩(wěn)定，煤層走向由于構(gòu)造影響局部有輕微的變化、但整體比較穩(wěn)定，由于本工作面斷層比較多、壓力比較大。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層夾矸，上層夾矸呈透鏡狀，厚度0.1～0.7m，厚度變化較大。由于本煤層平均厚度為3.85m，大于3.5m且小于8m，屬于厚煤層。

工作面開采2＃煤層，切巷長(zhǎng)60m，順槽長(zhǎng)856m，標(biāo)高245～290m，帶壓2.15～2.6MPa，2＃煤層距O2灰?guī)r頂面為110m，突水系數(shù)0.0195～0.0236MPa／m，小于0.06 MPa／m，屬于安全開采區(qū)域。

本工作面為310m水平一采區(qū)西部，310m一采區(qū)采用上山開采，工作面東面為310m一采區(qū)軌道上山巷、皮帶上山巷、回風(fēng)上山巷，三條上山巷道。巷道布置方式為工作面的正、副巷均沿煤層走向布置，切割巷沿煤層傾向布置。

本工作面采用一次采全高走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，采空區(qū)采用全部垮落法處理。根據(jù)工作面頂?shù)装鍘r性、底板比壓、煤層厚度及有關(guān)生產(chǎn)資料，工作面支護(hù)選用ZY9000／24／45型雙柱掩護(hù)式液壓支架。2－105工作面切巷長(zhǎng)度60m，安設(shè)支架34架，順序移架及時(shí)支護(hù)，移架步距0.8m。工作面支架沿工作面直線排列，兩支架中心距1.75m，支架端面距不大于434mm。最大控頂距為5.434m，最小控頂距為4.634m。

由于2＃煤層較軟，該礦其它采區(qū)綜掘面煤柱留寬普遍在30m以上，盡管滿足了生產(chǎn)要求，但煤柱損失量較大。那么留設(shè)多大的煤柱既可以保證安全生產(chǎn)，又可以盡最大可能的降低煤柱損失量，就成為必須要研究的課題。

2 合理區(qū)段煤柱尺寸的數(shù)值模擬研究

目前其它綜掘面因?yàn)槊簩虞^軟，因此普遍留設(shè)的煤柱為30m，那么為了得到更加可靠的數(shù)據(jù)以方便現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以現(xiàn)有的留設(shè)煤柱的寬度為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)大或者減?。ㄖ饕沁M(jìn)行減小，因?yàn)?0m煤柱在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)得到驗(yàn)證，留設(shè)30m煤柱可以保證現(xiàn)場(chǎng)的工作面安全開采），經(jīng)過分析比較，以5m為單位，對(duì)30m、25m、20m、15 m、10m煤柱進(jìn)行分析對(duì)比，通過各種不同間距條件下的應(yīng)力或者位移情況，來確定分析合理的臨近工作面合理的間距。

一般來講，合理的工作面間距應(yīng)當(dāng)使工作面在開采期間，煤柱處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，并且巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，而不能因重復(fù)采動(dòng)，而使巷道置于應(yīng)力增大區(qū)，這就是使得煤柱寬度既不能太小，也不能太大，因而浪費(fèi)較大。

下面采用數(shù)值模擬的方法，通過分析不同間距情況下的煤柱的圍巖應(yīng)力分布特征，來確定臨近工作面合理的煤柱留設(shè)寬度。

2.1 數(shù)值模擬模型建立

本次數(shù)值模擬即采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析。

建立的分析模型四個(gè)邊界均固定法向位移，底端邊界固定垂直位移，頂面為自由面，模型寬和高均為300m。工作面寬度為120m，距離地面高度為180m，其它巖層則以等效均布荷載的形勢(shì)施加到頂部。

模型賦存狀態(tài)見圖1，模型中參數(shù)如表1所示。

表1 8＃煤層及圍巖力學(xué)性質(zhì)

圖1 煤柱的模型賦存狀態(tài)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）圍巖應(yīng)力分布情況

當(dāng)煤柱寬度為30m、25m、20m、15m、10m時(shí)的應(yīng)力分布情況見圖2～11。

圖2 煤柱寬度30m圍巖應(yīng)力分布

圖3 煤柱寬度25m圍巖應(yīng)力分布

圖4 煤柱寬度20m圍巖應(yīng)力分布

圖5 煤柱寬度15m圍巖應(yīng)力分布

圖6 煤柱寬度10m圍巖應(yīng)力分布

圖7 區(qū)段煤柱30m圍巖最大主應(yīng)力分布

圖8 區(qū)段煤柱25m圍巖最大主應(yīng)力分布

圖9 區(qū)段煤柱20m圍巖最大主應(yīng)力分布

圖10 區(qū)段煤柱15m圍巖最大主應(yīng)力分布

圖11 區(qū)段煤柱10m圍巖最大主應(yīng)力分布

從上圖中可以看出，隨著煤柱寬度的增大，塑性區(qū)也在不斷的增大，但是在塑性區(qū)之中包含的彈性區(qū)也在不斷增大，從而增大了煤柱的抗壓能力，使得煤柱能夠保持較高的承受力?？梢钥闯?，當(dāng)煤柱寬度為10m時(shí)，不存在彈性區(qū)域；當(dāng)煤柱寬度為15m，存在約4m左右的彈性區(qū)域；當(dāng)煤柱寬度為20m時(shí)，仍然存在約4m左右的彈性區(qū)域；當(dāng)煤柱寬度約為25m時(shí)，存在16m左右的彈性區(qū)域；當(dāng)煤柱寬度為30m，塑性區(qū)域進(jìn)一步增大。

可以看出，隨著煤柱寬度的增大，彈性區(qū)也在不斷增大，處于15～20m時(shí)，有4m左右的彈性區(qū)域，該區(qū)域不大不小，既不讓煤層浪費(fèi)，同時(shí)又可以保證煤柱的支撐力。此外，進(jìn)一步分析最大主應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤柱寬度小于15m時(shí)，不能形成較好的彈性核區(qū)域，而當(dāng)煤柱寬度大于20m，該彈性核區(qū)域又較大，顯得浪費(fèi)。

因此，綜上所述，通過考察不同煤柱寬度條件下的煤柱應(yīng)力分布特征和塑性區(qū)分布特征，同時(shí)考慮到2＃煤層自身的特點(diǎn)，最終決定將煤柱寬度定位15～20m。

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