雄山矿15-#煤层工作面煤柱留设宽度模拟分析_王立伟.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：雄山煤矿长期存在生产接替紧张、煤炭资源采出率低的难题；留设小煤柱开采是提高煤炭回收率、实现资源绿色开采有效途径之一；依据1 5#煤层工作面地质条件，理论计算小煤柱宽度合理范围在7.3 4 8.6 1，模拟分析煤柱留设合理宽度为1 0m（0.5m）；应用留设区段小煤柱技术后矿井获得了良好的经济效益。关键词：工作面；煤柱宽度；模拟计算；小煤柱中图分类号：TD8 2 2+.3文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 0 6 1-0 3Simulation Analysis of Coal Pillar Setting Width in No.15 Coal Seam Working Face of Xiongshan CollieryWang Liwei(Changzhi Shangdang District Emergency Management Bureau,Changzhi,Shanxi 047100)Abstract:Aiming at the problems of tight production succession and low coal resource recovery rate in Xiongshan Colliery,thepaper proposes setting small coal pillar mining to improve coal recovery and realize green mining of resources,theoreticallycalculates the reasonable width of small coal pillar to be 7.348.61 according to the geological conditions of No.15 coal seamworking face,simulates and analyzes the reasonable width of coal pillar to be 10 m(0.5 m),whose application achieves goodeconomic benefits.Key words:working face;coal pillar width;simulation calculation;small pillar雄山矿 15#煤层工作面煤柱留设宽度模拟分析王立伟（长治市上党区应急管理局，山西长治0 4 7 1 0 0）相较于区段宽煤柱护巷的方式，小煤柱开采技术具有提高采区回采率、减小煤炭资源损失、保证矿井可持续发展的特点，现已逐步发展成为井工矿护巷的主流趋势1-2。但受巷道围岩顶板应力及煤柱岩性的影响，所留设小煤柱在巷道掘进过程中易发生损坏，小煤柱承载能力不足容易发生顶板垮落、两帮变形，小煤柱与顶板间的肩角煤柱出现破损，煤柱岩性出现应力集中导致支护困难等3-4。因此如何在安全经济且高效生产的前提下，合理设计留设小煤柱的宽度参数，是对小煤柱开采技术的重点研究方向。1矿井概况雄山煤矿开采1 5#煤层，该煤层为厚煤层，工作面采用走向长壁后退式放顶煤开采方法，全部垮落法管理顶板。目前正在开采1 5#边角0 1工作面，该工作面采高2.2m，放顶煤高度1.6m，循环进度0.6m。1 5#煤层具有良好的地质开采条件，1 5#煤层工作面的区段保护煤柱宽度目前为2 0m，存在一定的资源浪费，造成采掘接续紧张，煤炭资源回收率低，影响企业效益，不利于企业长久发展。宽区段煤柱采煤法工作面布置较慢，而采用小煤柱切顶护巷技术可以快速平衡和转移工作面回采形成的支承压力，缩短了等待采空区稳定的时间，可以快速布置巷道掘进，有效缓解采掘接替紧张的压力，达到快速布置工作面，快速出煤，实现企业盈利的目的。2煤柱合理宽度理论计算煤柱宽度的留设主要和巷道载荷分布、围岩约束影响情况、围岩条件及支护方式的承载能力有关。所留设的煤柱宽度过小可能导致邻近工作面回采时煤柱两侧出现塑性破坏，形成安全隐患；留设煤柱过宽则会造成煤炭资源的浪费，经济效益受损。因此留设煤柱的宽度需要在保证巷道围岩稳定性的前提下尽量争取更大的资源采出率，据此可根据式1进行计算。B=X1+X2+X3（1）式中：X1为上区段工作面回采后在采空区侧煤岩中出现的塑性区宽度，其值可根据极限平衡理论计算确定，即式2；X2为小煤柱在巷道两侧的锚杆有效长度，取2.4m；X3为煤柱宽度富余量。（2）6 1江西煤炭科技2023年第1期表1煤柱合理宽度各参数值参数X2/mM/mAC0/MPa0/K/kNm-3H/mPZ/MPa取值2.4 2.8 0.2 2 1.5 84 1.3 8 2.02 53 3 9 0.2 0根据表1各参数值，通过式（2）计算得到X1=3.9 8m，煤柱宽度富余量X3通常为X1+X2相加后的1 5%3 5%，计算X3为0.9 6 2.2 3m。最终根据式（1）计算煤柱宽度B=7.3 4 8.6 1m，即1 5#煤层工作面的煤柱的理论宽度在7.3 4 8.6 1m之间。3煤柱合理宽度模拟分析为进一步确定0 1工作面小煤柱留设的合理宽度，参考理论计算的结果，设定煤柱宽度为5m、7m、9m、1 1m的四种模拟方案5。针对切顶后不同煤柱宽度下煤岩的塑性区范围、顶板下沉量、两帮位移量进行了具体分析，为降低边界效应对模拟结果所造成的干扰，将在模型两侧设定2 0m宽的实体煤岩，在结束对1 5-边角0 1工作面的采掘工作后，将设定沿此工作面右边边界掘进下一个工作面的回风顺槽。如图1所示，煤柱塑性区范围的变化总趋势是随着煤柱宽度的增大而逐渐减小，具体来看：（1）煤 柱 宽 度 为5m，此 时 煤 柱 区 域 几 乎1 0 0%的面积都被塑性区覆盖，弹性区面积几乎为0。说明宽度5m的小煤柱受到塑性破坏严重，不具备安全生产的能力。（2）煤柱宽度增至7m时，煤柱大部分仍被塑性区覆盖，仅在煤柱上端出现小范围的弹性区。说明此宽度的煤柱虽具有一定支撑力，但仍处于薄弱状态，无法保障实际的安全生产。（3）煤柱宽度增至9m时，煤柱塑性区大幅减小至1 1.1m2，降至煤柱区域的4 9%，同时煤柱中部的弹性区域超过煤柱面积的一半，增至1 1.4m2。说明9m宽度的煤柱具有较强的支撑力，可以起到维持围岩稳定性的作用。（4）煤柱宽度继续扩大至1 1m时，煤柱塑性区面积缩小为1 0.5m2，煤柱弹性区扩大至1 2m2，约占总面积的5 3%，说明此时煤柱具有较强的稳定性，但较9m宽度煤柱的留设变化并不明显。综上分析，煤柱宽度的留设在超过9m时，已经满足生产需求，在拥有良好的稳定性和支撑力的同时，还能对采空区形成有效隔离，并具有较高的资源回收率。（a）5 m（b）7 m（c）9 m（d）11 m图1不同宽度煤柱塑性区变化云图如图2所示，在切顶后，煤柱上的应力集中程度将随之减轻，并且随着煤柱宽度留设的增大，应力峰值逐渐远离采空区，呈先增大后减小的趋势。具体来看：（1）设定煤柱宽度为5m时，煤柱应力峰值为1 7.8M P a，应力集中系数为2.1 7。（2）设定煤柱宽度为7m时，煤柱应力峰值为1 8.8M P a，应力集中系数为2.2 9。（3）设定煤柱宽度为9m时，煤柱应力峰值为1 9.7M P a，应力集中系数为2.4。（4）设定煤柱宽度为1 1m时，煤柱应力峰值为1 8.7M P a，应力集中系数为2.2 8。据此分析，当煤柱留设的宽度大于超过9m时，应力峰值变化将逐步放缓，同时应力集中系数也区域稳定。（a）5 m（b）7 m（c）9 m（d）11 m图2不同宽度煤柱应力分布云图6 2江西煤炭科技2023年第1期如图3所示，巷道围岩的变形与煤住宽度的增加呈非线性规律，随煤柱宽度的增加围岩移近量有逐渐变小的趋势。其中，围岩的变形集中出现在巷道顶板及煤柱两侧，底板次之、实体煤帮变形量最小。具体来看：（1）设定煤柱宽度为5m时，巷道顶板和煤柱帮的位移量明显，顶板下沉量总计2 3 0mm，煤柱帮移近量为1 8 0mm。（2）设定煤柱宽度为7m时，顶板下沉量和煤柱帮移近量得到了一定控制，分别为2 0 0mm和1 7 3mm。（3）设定煤柱宽度9m时，围岩稳定性得到了有效控制，顶板下沉量为1 8 5mm，煤柱帮移近量为1 6 5mm。（4）设定煤柱宽度1 1m时，顶板下沉量约为1 8 0mm，煤柱帮移近量为1 6 2mm。说明煤柱留设宽度大于9m之后，围岩稳定性提升趋于稳定，顶板和两帮的围岩变化量减弱。针对雄山煤矿留设不同小煤柱宽度条件下，模拟分析得到的巷道围岩的塑性区分布和应力数据，结合理论计算，确定了雄山矿1 5-边角0 1工作面回风顺槽所留小煤柱的宽度不小于9m，并考虑了安全生产实际需要系数1.1，最终雄山矿1 5-边角0 1工作面回风顺槽所留煤柱宽度确定为1 0m（0.5m）。4经济效益分析1 5-边角0 1工作面确定煤柱留设宽度为1 0m（0.5m），以1 5#煤层现有煤柱宽度2 0m计算，则小煤柱开采可节省煤柱1 0m左右，煤层厚度为3.7 5m，容重1.3 5t/m3，工作面推进长度取8 5 0m，回采率取值9 5%，计算得出每个区段煤柱可多回收煤炭资源量达到0.0 4 6M t，参照煤炭行情价格5 0 0元/t，则该工作面可增加收入超过20 0 0万元。5结语通过在雄山煤矿0 1工作面留设宽度为1 0m小煤柱工程实践，获得了良好的经济效益；有效地提高了资源采出率、缓解了矿井采掘接替紧张的不利局面；对于其他相似条件的矿井也有很好的借鉴作用。参考文献：1 李世斌.小煤柱开采在提高资源回收率中的应用探讨J.江西煤炭科技，2 0 1 8（1）：3 4-3 5.2 靳鹏飞.切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术应用分析J.江西煤炭科技,2 0 1 8（4）：1 4-1 6.3 王成，韩亚峰，杜泽生，等.沿空掘巷围岩控制技术的发展与展望J.北京：煤矿开采，2 0 1 4，1 9（4）：1-4.4 郑西贵，姚志刚，张农.掘采全过程沿空掘巷小煤柱应力分布研究J.徐州：采矿与安全工程学报，2 0 1 2，2 9（4）：4 5 9-4 6 5 5 娄培杰.厚煤层开采合理煤柱留设探讨J.北京：煤炭工程，2 0 1 4，4 6（1）：1 4-1 7.作者简介：王立伟（1 9 7 8），男，山西长治人，2 0 1 8年毕业于河北工程大学（函授）采矿工程专业，工程师，现从事煤矿安全监管工作。收稿日期：2 0 2 2-0 5-3 0编辑：李永华（a）5 m（b）7 m（c）9 m（d）11 m图3不同宽度煤柱位移云图6 3