急倾斜煤层巷道放顶煤开采合理区段煤柱高度的研究

宋 杰

（长治职业技术学院，山西 长治 046000）

急倾斜煤层巷道放顶煤是指：一个采区内沿倾斜方向按照一定标高（15~30 m）划分若干个区段，在每个区段的下部布置放煤巷道（运巷），上部布置回风巷道；在放煤巷道内均匀布置放煤小眼，采用爆破等手段使顶煤放出[1]。现场实践表明，巷道受动压影响的强弱，与巷道保护煤柱高度紧密相关。因此，护巷煤柱合理高度的确定，对缓冲上区段矸石冲击巷道、维护放煤巷道的稳定、改善开采效果有着重要意义。目前国内外有关区段煤柱高度研究大多是零散的、不系统的[2-3]。本文以大汉沟急倾斜煤层巷道放顶煤区段煤柱为对象，采用理论分析和数值模拟相结合，研究了顶板应力分布特征、合理巷道位置，确定了煤柱合理高度，以供安全生产参考。

1 合理区段煤柱高度的理论分析

随着顶煤垮落顶板应力重新分布，且不断弯曲下沉；假设破碎后的顶煤力学性质，近似为弱弹性体，则其较完整的煤层顶板可看作两端为弹性基础的梁。由此，可得到顶煤垮落后采场力学模型[4]，见图1。以工作面回采方向为x轴正方向，在x＞0一侧，梁一端是实体煤；在x＜0一侧，梁与松散顶煤连接，梁受到的上部反力呈连续分布。据文献[4]，此时顶板挠曲线方程为：

式 中 ：C1、C2为积分常数；α为阻力系数，α=为煤体Winkle地基系数；q0为顶板均布载荷，q0=Hγcosα。

松散顶煤上分布的压力pd为：

当x=0时，pd有最小值当 x→∞时，pd=q0.由此分析可知，在x=0处，作用于顶板上的压力发生突变，实体煤的压力出现应力集中达到峰值，而作用于松散煤体的压力为0[5]，顶煤垮落后顶板压力分布规律，见图2。

图1 顶煤垮落后顶板力学模型

图2 顶煤垮落后顶板压力分布规律

2 煤柱高度的确定依据

从图2知，顶煤垮落后，实体煤顶板上形成呈指数分布的应力集中区。风巷要避开应力集中对其影响，有两个位置可选择。位置1，风巷上方不留煤柱，巷道处于零应力区，但巷道一帮为采空区，支架架设困难且易失稳，易受到采空区滚落大块煤矸的冲击。位置2，风巷避开了高应力区的影响，并由上方煤柱的保护不会出现矸石冲击状况。

据式（2），实体煤顶板上的应力在煤体属性分界处达到最大，往x轴正方向逐渐衰减。再据计算和现场实际观测，应力集中区高度值不小于3~5 m，若将风巷布置在实体煤内，巷道维护状况可能得到一些改善，但却浪费很多煤炭资源。因此，位置2不可取。

若取位置1，巷道一侧必然留设煤柱。若留1~2 m高的窄煤柱，按理论分析巷道处于应力集中区。但在实际生产中，由于小煤柱先后受到巷道掘进、放煤小眼掘进和初采爆破的影响，初采后整个煤柱已处于塑性破碎状态，承载能力很小。因此，初采后应力集中必然将向巷道底板下方的实体煤转移，巷道处于应力降低区。虽然小煤柱塑性状态下承载能力很小，却能对冲击巷道的大块煤矸起到缓冲或垫层的作用。由此分析，煤柱高度应在1~2 m左右；如煤层特别疏松尺寸可适当加大，但不能让煤柱起承载作用。

3 合理区段煤柱高度的数值模拟

采用FLAC3D软件进行数值模拟，模型长×宽×高=38 m×30 m×22.5 m；开掘风巷（上巷）30 m，风巷断面矩形，2 000 mm×2 500 mm。模型划分99 620个单元，105 703个结点。模拟煤层平均厚度6 m，煤层倾角45°，工作面顶板14.0 m，底板15.3 m，上覆岩层重力按均布载荷施加在模型的上部边界。模型的四个侧面为位移边界，限制模型的水平位移，模型底部为固定边界，限制水平位移和垂直位移。

图3为煤柱高度2.0 m时的巷道围岩塑性破坏特征、垂直应力、剪切应力、水平应力分布云图。从图看出，上区段回采完后，采场顶板岩体以剪切破坏为主。图3-a中回风顺槽两帮塑性破坏区深度约3.5 m，顺槽顶板煤柱完全破坏，但采用合理支护时，煤柱仍能发挥挡矸作用。图3-b垂直应力显示，巷道顶板中部垂直应力较小，说明煤柱已发生塑性破坏，依靠自身结构已不能起到支撑冒落矸石的作用，为保证下区段工作面安全，必须采取挂网等措施。图3-c剪切应力分布云图，剪切应力最大值位于煤层顶板岩层当中，回风顺槽围岩剪切应力较小约2.0 MPa左右。图3-d水平应力显示，回风顺槽围岩水平应力较小，说明位于工作面采动应力降低区，在此布置巷道，利于支护和维护。

图3 2.0 m区段煤柱巷道破坏情况

4 结束语

1）较完整的煤层顶板可看作两端为弹性基础的梁，巷道上方留设1~2 m区段煤柱可对冲击巷道的大块煤矸起到缓冲或垫层的作用。2）区段煤柱高度为2 m时巷道能保持稳定，该煤柱高度是合理的。为保证下区段工作面安全，必须加强顶板煤柱的整体性，采取挂网等措施。

[1]李东明，赵伏军.急倾斜煤层巷道放顶煤开采放煤巷道的布置[J].煤炭技术，2007，26(6)：51-54.

[2]朱川曲，缪协兴.急倾斜煤层顶煤可放性评价模型及应用[J].煤炭学报，2002，27(2)：134-138.

[3]刘年平，王宏图，袁志刚.急倾斜煤层顶煤可放性识别的支持向量机模型[J].煤炭学报，2010，35(11)：1 859-1 862.

[4]杨虎雄.急倾斜煤层巷道放顶煤开采合理工艺参数研究[D].太原：太原理工大学,2013.

[5]王卫军,朱川曲,谢东海,等.急倾斜煤层巷道放顶煤理论与实践[M].北京:煤炭工业出版,2001.