王村煤矿煤柱稳定性和煤柱尺寸优化研究.pdf

162020 年第 5 期 王村煤矿煤柱稳定性和煤柱尺寸优化研究 裴 治 （山西省大同市同煤集团王村煤业公司，山西 大同 037003） 摘 要 采用实验室测试和数值模拟方法对王村煤矿护巷煤柱的稳定性进行了分析研究。通过煤样单轴抗压强度试验估 算出煤体强度介于 1.9 ～ 12MPa 之间，煤样宽高比与其抗压强度有显著正相关关系，实验数据拟合了王村煤柱强度公式。 通过数值模型分析可知，12m 煤柱可以兼顾煤柱稳定性和提高采出率的要求，实际应用情况理想。 关键词 煤柱 尺寸 优化 中图分类号 TD822.3 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.05.006 Study on Coal Pillar Stability and Coal Pillar Size Optimization in Wangcun Coal Mine Pei Zhi （Wangcun Coal Industry Company, Datong Coal Group, Shanxi Datong 037003） Abstract The stability of coal pillar in Wangcun Coal Mine is studied by laboratory test and numerical simulation. According to the uniaxial compressive strength test of coal sample, the strength of coal body is estimated to be between 1.9 and 12MPa, and the width height ratio of coal sample has a significant positive correlation with its compressive strength. The experimental data fit the strength ula of Wangcun coal pillar. Through the numerical model analysis, it can be seen that the 12m coal pillar can take into account the requirements of coal pillar stability and improving the recovery rate, and the practical application is ideal. Key words coal pillar size optimization 收稿日期 2019-11-25 作者简介 裴治（1995-），男，毕业于山西工程技术学院测绘 工程专业，助理工程师。 1 概况 王村煤矿开采 6 号煤层，煤层厚度为 1.85.7m， 倾角 1 3，埋深 100m。6201 和 6202 工作面煤 层厚度 2.7m，两工作面之间护巷煤柱宽度为 20m。 煤层直接顶为 5.5m 砂质泥岩，基本顶为 20m 细砂 岩。 煤层直接底为3.4m的砂质泥岩， 基本底为7.60m 的细砂岩。6202 工作面回风巷断面为矩形，宽度 5m，高度 2.7m。顶板采用锚杆与锚索支护，煤帮 不支护。6202 工作面回风巷在 6201 工作面采动影 响期间，巷道顶底板最大移近量 57mm，煤柱帮最 大移近量 24mm，巷道断面收缩不明显。在 6202 回 采期间，6202 工作面回风巷煤壁在超前支承应力作 用下仍然保持完整，没有明显的鼓帮现象。6202 工 作面回风巷经历两个工作面回采，煤壁平整，没有 明显的挤压破坏现象，巷道两帮变形不大，护巷煤 柱宽高比超过 7，煤层埋深仅 100m，可以初步判断 煤柱宽高比过大，煤柱留设过于保守。 为了准确地获取 6 号煤体强度数据，对煤样进 行了强度测试，作为评价王村矿煤体强度和煤柱强 度公式的依据。将煤体强度数据应用于数值模型中， 分析工作面回采期间煤柱载荷变化规律。通过分析 不同煤柱尺寸条件下煤柱强度和煤柱载荷之间的关 系，给出煤柱合理尺寸。 2 煤样单轴抗压强度试验 用王村煤矿井下工作面取出的大煤块，加工成 横截面为正方形的煤样。正方形边长代表煤柱宽度， 用 w 表示，煤样厚度代表煤柱高度，用 h 表示。定 义 w/h 为煤柱宽高比。 2.1 试验数据 煤样边长包含 4 种，分别为 150mm、100mm、 80mm、50mm，宽高比（m/h）包含 3 种，分别是 1、 2、3.5。本次试验包含 16 个煤样，采用液压试验机 （2000kN）和电液伺服试验机（600kN）进行单轴 加载试验，获取煤柱全应力应变曲线。试验数据见 表 1。 172020 年第 5 期 表 1 煤样试验数据 试验组 煤样边长 /mm 宽高比 样本数峰值强度 /MPa 1150 1225.1；22.9 3.5333.4；45.3；48.7 2100 1230.1；33.1 2220.9；26.8 380 1222.3；26.1 2343.5；33.3；41.2 4501232；14.8 2.2 煤体强度估算 本次试验设计了 4 种边长的立方体（w/h1）， 共 8 个试件。按现有研究结论，随着煤样尺寸增加， 煤样强度降低。从本次试验结果看，并没有发现煤 样尺寸对强度有明显的影响。通过对煤样表面观察， 煤样质量存在显著差异性，造成强度数据离散性大， 掩盖了煤样尺寸对强度的影响规律。 根据 8 个立方体煤样（m/h1）的单轴抗压强 度估算煤体强度，煤体强度通常远远低于实验室测 试的小煤样强度。研究显示当立方体煤样的尺寸达 到 1.5m 以上时，单轴抗压强度趋于稳定，可以作 为煤体强度进行煤柱设计。 不同尺寸的小煤样强度可以折算成常数 k，换 算公式如下 c kDσ （1） 式中 σc- 实测单轴抗压强度，psi（pa/in2）； D- 煤样边长，m。 小煤样的强度可以通过常数 k 换算成大煤样强 度或煤体强度，用 σ1表示，单位为 MPa，换算公式 如下 1 145 K h σ （2） 式中 h- 现场煤柱设计高度，m。如果煤柱高度 h36m，取 h36。 按照上述换算公式对 8 个立方体煤样进行了强 度换算，见表 2。 根据 8 个立方体煤样换算得到的煤体强度 σ1， 取其算术平均值 8.2MPa 作为王村煤矿煤体强度，8 个立方体煤样峰值强度平均值为 25.8MPa，王村煤 矿小煤样强度和煤体强度的比值为 25.8/8.23.15。 表 2 立方体煤样与煤体强度换算关系 试验组 试件边长 /mm 峰值强度 /MPa 峰值强度 /psi k σ1 /MPa 1150 25.13640884410.17 22.9332180699.27 2100 30.1436586009.95 33.14800952310.95 380 22.3323457396.6 26.1378567167.72 450 32464065107.48 214630113.46 根据世界各地的煤样测试结果，k 值范围 介于 164010600 之间，据此估算煤体强度介于 1.912MPa 之间。在实际煤柱设计中，煤体强度取 值多数介于 68MPa 之间。王村煤矿的煤体强度属 于偏高的范围。 2.3 煤柱强度 试验设计了 3 种宽高比（m/h），分别是 1、2、 3.5，按照宽高比（m/h）进行峰值强度数据分析， 对相同宽高比的煤样强度取平均值。从表中可以看 出，随着宽高比（w/h）增加，煤样的平均峰值强 度显著增加。 从宽高比 （m/h） 与峰值强度 （σmax） 的点阵关系， 进行了线性拟合，可得以下公式 max 6.719.3 w k σ （3） 公式 （3） 表示实验室煤样强度与宽度比的关系， 为了将其应用于实际的煤柱设计，还需要将其转换 成煤柱强度与煤体强度的关系。王村煤矿小煤样强 度和煤体强度的比值为 3.15，可以将 σpσmax/3.15 作 为对应的现场煤柱强度，并将王村煤矿的煤体强度 n8.2 作为常系数，这样就转化为可以应用于现场 的煤柱公式 0.260.74 pm w h σσ    （4） 3 煤柱尺寸优化设计 3.1 煤柱载荷数值计算方法 数 值 模 型 高 度 取 120m， 其 中 煤 层 以 上 为 100m，以下为 20m，模型上边界为地表自由面，下 边界固定。模型宽度取 350m，一侧以采空区中心 182020 年第 5 期 作为边界，采用水平位移约束条件，表示采空区位 移呈中心对称分布；另一侧为远端边界，离采空区 达 250m，不受采动影响，采用水平位移约束条件。 分别模拟了护巷煤柱为 20m、12m、8m 三种情况下 的垂直应力分布。 数值模型采用的岩层参数见表3。 表 3 数值模型采用的岩层参数 岩层 类型 体积刚度 k/GPa 剪切刚度 G/GPa 密度 kg/m3 摩擦角 φ/ 粘结强度 /MPa 拉伸强度 /MPa 砂质 泥岩 4.21.922400302.51.2 煤层2.10.961400302.371 细砂岩10.54.82400307.51.5 3.2 模拟结果分析 从 3 种护巷煤柱尺寸形成的应力分布图可知水 平坐标负值表示进入采空区内部的深度，水平坐标 正值表示煤柱和实体煤区城。20m 煤柱时，煤柱应 力峰值靠近采空区侧；12m 煤柱时，煤柱应力呈现 双峰值区，分别出现在采空区外侧和留巷边缘；8m 煤柱时，煤柱在留巷边缘形成应力值，这说明随着 护巷煤柱尺寸的减少，留巷围岩应力逐渐升高。 根据图中统计了单侧工作面回采不同煤柱宽度 时煤柱载荷和安全系数，见表 4，表中煤柱载荷和 采空区应力均为平均值。 表 4 单侧回采煤柱载荷和安全系数 煤柱宽度 /m 宽高比 煤柱强度 /MPa 煤柱载荷 /MPa 安全 系数 采空区应力 /MPa 207.421.96.283.51.35 124.415.57.162.21.36 83.012.47.881.61.36 由表中可以看出，不同煤柱尺寸条件下，采空 区应力差异很小，可以忽略，但煤柱载荷（柱平均 垂直应力）差别显著。煤柱尺寸越大，煤柱载荷越 小，安全系数越高。20m、12m、8m 煤柱的载荷分 别为78MP、 7.16MP、 6.28MPa， 安全系数分别为3.5、 2.2、1.6。按照上述计算，仅考虑单侧工作面回采， 20m、12m、8m 煤柱强度均能满足安全性要求，且 有合理安全系数，能保证留巷成功。考虑到一般情 况下，护巷煤柱还要经受第二个工作面超前压力的 影响，第二个工作面回采的超前力可以按第一工作 面回采期间煤柱载荷增加值的 0.7 倍计算；第二个 工作面回采所形成侧向支承压力已经超出煤柱服务 期限，可以不考虑。因此双侧工作面回采情况下， 煤柱载荷仅考虑第二个工作面回采超前阶段煤柱总 载荷，见表 5。 表 5 双侧回采超前阶段煤柱载荷和安全系数 煤柱宽度 /m 宽高比 煤柱强度 / MPa 两次采动煤柱 总载荷 /MPa 安全 系数 207.421.992.4 124.415.510.51.5 83.012.411.71.1 从表 5 可以看到，20m 煤柱的安全系数超过 2， 偏高；12m煤柱安全系数为1.5， 对于护巷煤柱来说， 属于适中；8m 煤柱也能满足强度要求，安全系数 偏小。8m 煤柱宽高比为 3，属于小煤柱容易发生脆 性破坏和整体失稳，安全系数不宜过小。从计算结 果，选择 12m 煤柱可以兼顾煤柱稳定性和提高采出 率的要求。 4 实践应用分析 根据试验结果，在王村煤矿 6202 和 6203 工作 面之间布置 12m 煤柱。现场观察发现，在靠近终采 线附近，煤柱内有若干未经任何支护的倒车硐室， 对煤柱造成破坏和削弱，在一次采动后，煤柱表面 出现片落等脆性破坏现象。除此之外，经过两次采 动影响后，尾巷煤柱侧变形很小，12m 煤柱表面仍 然保持较好。 5 结论 煤柱稳定性分析是护巷煤柱设计的基础，合理 的煤柱尺寸需要在安全性和经济利益之间取得平 衡。利用试验数评估了煤体强度，拟合了煤柱强度 公式，采用数值方法计算了煤柱载荷。研究发现 12m 煤柱对王村煤矿 6 号煤层是比较适合的，并在 实际应用中得到验证。 【参考书目】 ［1］ 张克伟，李恩忠 . 深部缓倾斜煤层护巷煤柱合理 宽度研究 [J]. 煤炭技术，2018，37（07）58-60. ［2］ 王旭春，黄福昌，张怀新，等 .A.H. 威尔逊煤柱 设计公式探讨及改进 [J]. 煤炭学报，2002（06） 604-608.