李志军，李川田

（1.中煤平朔集团井东煤业公司，山西朔州 036800；2.太原科技大学环境与安全学院，太原 030024）

浅埋煤层综放工作面沿空窄煤柱护巷试验研究

李志军1，李川田2

（1.中煤平朔集团井东煤业公司，山西朔州 036800；2.太原科技大学环境与安全学院，太原 030024）

以井东煤业有限公司44304综放工作面为工程背景，研究了沿空留巷掘进中留设煤柱宽度的问题，建立了工作面沿空护巷煤柱静载作用下力学模型，理论计算出临界煤柱宽度9.6m，同时采用数值模拟的方法，模拟不同煤柱宽度下巷道顶底板移近量、两帮移近量及最大主应力分布的变化规律，取各参量的最大值为分析判断合理煤柱宽度留设的参考标准，综合优选出工作面沿空护巷的窄煤柱宽度为10m。

浅埋煤层；沿空留巷；煤柱；煤体强度

综放工作面开采沿空掘巷煤柱的留设对于提高煤炭采出率、快速成巷和巷道维护等具有重要意义[1]。宽煤柱的留设，围岩应力集中程度小，可以保证成巷速度与服务时间，巷道维护简单；煤柱留设过窄，虽然煤层采出率提高，但受采动影响，煤柱的快速变形减少了有效服务时间，同时增加了巷道维护难度，二次支护增加了煤炭采出成本[2-3]。因此，复杂地质条件下，沿空窄煤柱的留设成为煤炭企业高产高效的关键技术。目前，对于浅埋煤层的煤柱宽度留设研究较少，文中尝试采用理论计算及数值模拟的方法,针对这种典型的地质条件下留设窄煤柱宽度进行了研究。

1 试验工作面概况

中煤平朔集团井东煤业有限公司44304工作面位于井田西南部，工作面北部为44303工作面采空区，南部为两条南北方向的探巷，东部为4号煤边角煤回收区辅运、主运大巷，西部为与二铺二矿的公共矿界。地面标高+1 465～+1 492m，44304工作面标高+1 248～+1 260m。44304工作面采用综合机械化放顶煤一次采全高回采工艺，走向长度280m，倾斜长度241m，主采4号煤层，平均煤厚11.6m，属中硬煤层（普式硬度值f值1.5左右），上覆岩层特性如表1所示。

2 沿空巷煤柱力学模型分析

工作面沿空巷煤柱受力示意图，见图1。

沿空巷所留煤柱上载荷集度等于覆岩荷重，载荷宽度为煤柱临界宽度W与巷道宽度B之和，则煤柱上的静载集度q为

式中：H为煤层埋深，138m；γ为覆岩容重，取21.64 kN/m3；W为煤柱宽度，m；B为巷道宽度，5.2m。

煤的强度测试实验证明，煤的强度很大程度上取决于试件的尺寸和形状，随立方体试件边长尺寸增加，煤的强度按指数规律减小，并达到渐进值。故煤柱的强度同样存在着尺寸形态效应[4]。当煤柱强度与煤柱所承担的静载集度相等时，此时煤柱宽度W为临界宽度。依据Bieniawski煤柱强度计算公式得出关于煤柱临界宽度与载荷、煤体抗压强度等的关系式[5]：

式中：σc为实验室试件单轴抗压强度，12 MPa；h为巷道高度，3.5m。

计算得出，临界煤柱宽度W=9.6m。

3 沿空巷煤柱优选数值模拟

3.1 数值模型建立

根据44304综放工作面顶底板岩层赋存状况及布置，基于快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D，建立工作面三维沿空巷道力学数值分析模型。模型的尺寸长×宽×高=300m×160m×145m，上覆岩层厚度取100m，垂直应力为2.5 MPa，水平应力取为0.45 MPa，各岩层岩体力学条件如表1所示。模型的两侧边界为水平位移约束，底部边界为固定位移约束，模型计算分析采用摩尔库仑准则（Mohr-Coulomb），即

式中：σ1、σ3分别是最大和最小主应力，MPa；c是材料的粘结力，MPa；φ是材料的摩擦角，°。

开挖巷道为矩形状，规格为：宽×高=5.2m×3.5m。对工作面不同宽度煤柱留设的几种方案进行模拟：6m、7m、8m、9m、10m、11m和12m，分析各种情况下，沿空巷道顶底板移近量、两帮收敛量及最大主应力的变化规律，优选出合理煤柱宽度。

3.2 模拟结果分析

不同宽度煤柱宽度留设下，沿空留巷开挖模拟结果，见图2。图2分别为煤柱宽度6m、8m、10m和12m变化时，巷道顶底板移近量、两帮移近量及最大主应力分布。取不同煤柱宽度下，模型稳定后，巷道顶底板、两帮移近量及应力最大值为分析判断合理煤柱宽度的参考标准，其变化曲线见图3。

1）沿空巷的不同宽度煤柱留设时，围岩水平、竖直移动及应力变化均有不同程度差异，其中煤柱宽度变化6～8m和8～10m两种情况下，各参量分布差异较大；煤柱宽度10～12m变化时，各参量分布差异不明显。

2）随煤柱宽度的增加，巷道顶底板相对移近量、两帮相对移近量及最大主应力值变化均逐渐减小，并呈现出逐渐稳定的趋势。煤柱宽度的增加，煤柱内最大主应力减少，即应力集中程度减小，当煤柱留设大于一定宽度时，而矿压显现程度减弱。工程实际中表现为：煤柱留设宽度的增加，沿空巷受相邻工作面采动影响减小，矿压显现不明显。

3）沿空巷窄煤柱由6m增加12m变化时，巷道顶底板相对移近量变化33.5～36.3mm，两帮相对移近量变化139.0～165.6mm，最大主应力值变化6.7～5.9 MPa，曲线呈现出凹函数的递减趋势，各参量的变化率逐渐减小，即矿压显现程度变化减小。煤柱宽度小于10m时，巷道顶底板移近量、两帮移近量及最大应力值均急剧变化，而煤柱宽度大于10m时，各参量变化相对较为平缓。

综上数值分析结果，考虑尽量减少煤柱损失、保证一定的回采率，同时选择巷道矿压显现程度较弱的情况，即成巷安全可靠，保证巷道服务年限内正常使用，煤柱宽度选为10m。

4 结论

1）建立了工作面沿空巷煤柱承载力学模型，计算出煤柱的临界宽度为9.6m。

2）通过数值模拟计算不同煤柱宽度下巷道顶底板移近量、两帮移近量及最大主应力的变化规律，得出煤柱为10m时较为合理。

3）综合理论计算及数值模拟结果，优选出井东煤业有限公司44304综放工作面沿空巷窄煤柱宽度为10m。

[1]张少杰,王金安,吴豪伟,等.综放开采合理护巷煤柱宽度研究[J].中国矿业，2012，21（3）：52-55.

[2]李龙,丁国立.大倾角综放开采区段煤柱与围岩结构特征研究[J].山西煤炭，2014，34（5）：29-31.

[3]贾喜荣.岩层控制[M].北京：中国矿业大学出版社，2011.

[4]贾喜荣,王丽.回采巷道煤柱临界宽度理论计算方法[J].太原理工大学学报，2011，42（1）：102-103.

[5]曹虎斌.潞宁煤业沿空掘巷煤柱尺寸及变形控制研究[J].山西煤炭,2014,34(3):23-25.

Test on Roadway Protected by Narrow Coal Pillars along Gog-side Entry Retaining on Fully-mechanized Mining Face of Shallow Coal Seam

LI Zhijun1,LI Chuantian2
(1.Jingdong Coal Co.,Ltd.,ChinaCoal Pingshuo Group,Shuozhou 036800,China; (2.College of Environment and Safety,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024, China)

Taking No.44304 fully-mechanizedmining face in Jindong Mine as engineering background,the width of coal pillars along gob-side entry retaining was studied.Under static load,amechanicalmodel was established.The critical value of the pillar width was obtained by theoretical calculation.In addition,the variation of roof-floor displacement,two-side displacement,andmaximum stress distribution under different widths of pillars were studied by numerical simulation.Themaximum value of each parameter was used as the reference standard to judge the rationality of the width of coal pillars.Finally,the narrowcoal pillars width was determined tobe 10mbyintegrated optimumselection.

shallowlyburied coal seam;gob-side entryretaining;coal pillars;coal strength

TD322

A

1672-5050（2015）05-0027-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.010

（编辑：樊敏）

2015-05-21

太原科技大学校青年基金（20133003）

李志军（1976-），男，山西朔州人，大学本科，工程师,从事煤矿生产技术管理工作。

李川田（1975-），男，讲师，（Tel）13834208981