张炳林

（山西煤销集团长治有限公司，山西长治 046000）

三元福达煤业大采高区段煤柱优化分析

张炳林

（山西煤销集团长治有限公司，山西长治 046000）

针对三元福达矿区段煤柱设计偏大、采区采出率较低的生产实际问题，综合采用现场实测、数值模拟、理论计算等方法，对三元福达矿大采高区段煤柱宽度进行优化分析。理论分析与现场实测表明：煤柱采空区侧形成的的塑性区宽度为6.31m，工作面回采扰动形成的塑性区宽度为6～8m，煤柱内弹性区宽度取4.31m。据此结合煤层赋存条件，通过三维数值模拟软件对不同煤柱宽度下应力及位移分布特征进行了分析，确定区段煤柱合理宽度为19m。

大采高；塑性区；区段煤柱；优化分析

煤层开采过程中，煤柱作为护巷、岩层控制及防水隔离的方法，一直沿用至今。煤柱尺寸的留设关系到巷道受采动破坏的程度，是影响工作面采动期间巷道围岩稳定性的主导因素。随着开采程度的加大，煤炭资源日益减少，国内大多数矿区已针对煤柱合理宽度的留设开展了相关的研究工作，并进行了应用实践，且取得了较为显著的经济效益。目前国内外学者针对煤柱合理宽度的留设进行了大量的研究工作[1-3]，主要集中在：基于矿山压力岩层理论确定的煤柱宽度计算方法；运用数值模拟软件分析煤柱变形规律，确定合理煤柱留设尺寸；根据现场实测结果，通过数理统计、归纳得出合理煤柱留设尺寸；根据岩体极限平衡理论，分析护巷煤柱合理宽度计算公式；分析煤柱塑性区宽度的计算公式。笔者在调研三元福达矿煤层具体赋存条件及回采巷道布置现状的基础上，综合采用现场实测、数值模拟、理论计算等方法对三元福达矿大采高区段煤柱宽度进行了优化研究。

1 基本概况

三元福达煤矿目前主采15号煤层，煤层厚度3.70～4.97m，平均4.47m，含1-4层泥岩及炭质泥岩夹矸，埋藏深度220～400m，煤层倾角2°～14°，平均普氏硬度系数0.96。煤层直接顶多为泥岩、砂质泥岩，普氏硬度系数2.8～3.7，基本顶为粉砂岩、细砂岩，普氏硬度系数6.9～10.1。

15号煤层采用一次采全高大采高开采技术，工作面倾向长度180m，顺槽断面呈矩形，掘进净断面宽4.5m，高4.0m，采用锚网索进行支护，设计区段煤柱宽度25m。鉴于矿井煤炭资源储量少、服务年限短的问题，在确保煤矿安全生产的前提下，科学合理地确定煤柱宽度，以减少煤柱损失量、提高矿井的资源回收率，延长矿井服务年限对三元福达煤矿而言具有重要意义。

2 煤柱内塑性区及弹性区宽度确定

2.1 采空区侧塑性区宽度

工作面推进后，采场周边煤柱内围岩应力重新分布，自煤柱体边缘至煤体深处，依次呈现破裂区、塑性区、弹性区及原岩应力区。已有研究成果将模型简化为弹性力学的平面应变问题[4]，经推导计算，得塑性区宽度R0为：

根据三元福达矿15号煤岩物理力学参数测试结果[5]，代入得工作面回采后采空区造成的塑性区宽度R0为6.31m。

2.2 巷道侧塑性区宽度实测分析

为更清楚的掌握采动过程中煤体内塑性区的变化特征，采用KS-II型钻孔应力监测系统，针对工作面回采阶段煤柱侧应力分布特征进行实时监测。统计分析监测数据，见图1。由图可知，采动期间煤柱内应力变化特征：煤柱内3m深度处开始出现应力集中现象，6～8m深度处为应力峰值区域，10m以外为原岩应力状态，随工作面推进应力不再发生变化。

根据上述分析可知，工作面回采造成的煤柱内塑性区宽度R为6.0～8.0m。

2.3 煤柱弹性区宽度确定

回采实践表明，护巷煤柱保持稳定的基本条件是：煤柱两侧产生塑性变形后，煤柱中央仍能保持一定宽度的弹性核区。研究表明[6]，其采空区侧及巷道侧弹性区宽度为：

采空侧弹性区宽度

巷道侧的弹性区宽度

代入式（2）（3），得L+L1+L2=2.39+1.92=4.31m.

综合上述分析，初步确定三元福达煤业大采高煤柱宽度B=R0+R+L=6.31+（6.0～8.0）+4.31＝16.62～ 18.62m。

3 合理区段煤柱宽度模拟分析

3.1 模拟方案

为了更合理的评价煤柱的稳定性及煤柱宽度的合理性，采用FLAC数值模拟软件进一步进行了验证分析。选取14m、16m、18m、20m、22m、24m、26m及28m不同宽度煤柱，对煤柱内的应力分布特征及破坏情况进行了分析。模型尺寸为500m×200m，上边界施加垂直载荷5 MPa，以模拟上覆岩层重力，左右边界施加水平位移约束，模型如图2所示。

3.2 结果分析

图3、图4为不同煤柱宽度下应力分布特征及分布曲线。分析煤柱内应力分布特征可知，当煤柱宽度小于18m时（见图3-a、3-b及图4），煤柱两侧侧向支承压力在煤柱内相互叠加，支承压力表现为“单峰”现象，煤柱内载荷急剧增大，集中应力达到42 MPa；当煤柱宽度增加至18m及18m以上时（见图3-c至3-h及图4），煤柱内支承压力出现了明显的“双峰”现象，两侧峰值明显减弱；当煤柱为20m时，煤柱中央出现了7m左右的弹性核区，当煤柱宽度继续增加时，煤柱中弹性核区不断扩展。

图5为不同宽度煤柱下巷道煤壁的变形位移曲线，分析煤柱煤帮变形规律可知，当煤柱宽度由14m增加至28m的过程中，巷道煤帮变形位移量呈现先急剧减小，后逐渐趋于稳定的状态。当煤柱宽度达到18m时，巷道煤帮变形位移量由0.53m降至0.39m，且开始逐渐趋于稳定；当继续增加煤柱宽度至20m以上时，巷道煤帮变形量变化幅度较小，趋于稳定。

综合以上不同宽度下煤柱围岩应力及变形位移分析，建议煤柱宽度应不低于18m。

4 结束语

综合现场实测、理论计算及数值模拟方法对三元福达煤矿15号煤层大采高开采合理区段煤柱进行了分析，最终确定合理区段煤柱宽度为19m。该研究成果为国内相似矿井的巷道布置提高了理论基础，对于缓解矿井资源紧张，提高资源回收率具有重要意义。

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

（编辑：樊敏）

2015-05-18

张炳林（1965-），男，山西长治人，大学本科，高级工程师，从事生产技术及管理工作。