南阳坡煤矿3号煤层区段煤柱合理宽度研究与实践

孙涛胜，孙 来

(1.大同煤矿集团铁峰煤业公司 增子坊煤矿，山西 朔州 036000；2.大同煤矿集团铁峰煤业公司 南阳坡煤矿，山西 朔州 036000)

在煤炭资源高强度开采的今天，煤柱合理宽度的留设影响着井下回采巷道的稳定性，这是矿井安全高效生产的重要保障和前提[1-3]。然而高强度下煤柱宽度的合理尺寸一直是沿空巷道研究的重点与难点。目前铁峰公司大多留设20～40m宽煤柱以维护巷道，这大大造成了资源的浪费，使煤炭采出率降低，相邻工作面回采速度快，开采强度高，当巷道处于采动影响区时，由于支护不利引起巷道大范围变形破坏，严重影响矿井安全生产[4-6]。

我国众多专家学者在煤柱合理宽度确定方面做了大量研究，张广超等[3]建立了高强度开采工作面顶板破断结构模型，确定了区段煤柱合理宽度，提出了非对称围岩控制技术；谢广祥等[7]通过对工作面巷道表面位移与支架载荷的监测分析，指出了合理巷道支护设计原则；闫帅等[8]研究了煤柱宽度对相邻两巷道围岩应力分布和变形特征的影响，揭示了煤柱宽度与巷道稳定性的关系；王德超等[9]采用数值模拟的方法确定了区段煤柱合理留设宽度，采取相应的支护措施后围岩变形大大降低；刘金海等[10]针对煤层区段煤柱留设问题，通过微震监测、应力动态监测和理论计算等方法确定了煤柱尺寸。许多学者对区段煤柱合理宽度的研究已经很详尽，但是针对高强度开采条件下的煤柱宽度问题研究仍较少。本文以南阳坡矿3号煤层8701工作面区段煤柱留设为例，利用极限平衡理论与数值软件的方法研究高强度开采条件区段煤柱的受力情况，应用于现场实践，最终确定煤柱留设合理尺寸和相对应的围岩支护技术。

1 工程概况

南阳坡煤矿3号煤层8701工作面长180m，走向长度1200m，煤层平均厚度为2.95m，煤层赋存稳定，大部分可采，只有少数夹矸。顶板岩层的构成组分主要有细、中、粗砂岩。矿井中东部和南部TE13号钻孔岩层的成分是砂质泥岩和泥岩；矿井北部T4，T5，511号钻孔岩层的成分为粉砂岩；矿井西部岩层由粉(T7，408，ME202孔)、细(309，310孔)砂岩所组成；矿井东南部岩层则由细、粗砂岩所构成。3号煤层及顶底板物理力学参数如表1所示。

表1 煤岩体物理力学参数

2 煤柱合理尺寸设计

2.1 煤柱宽度理论计算

煤柱宽度的确定对巷道稳定性具有重要影响。煤柱宽度的计算利用煤柱的强度理论和极限平衡理论，以巷道、采空区附近煤层塑性区宽度和保持煤柱稳定性的煤柱中间弹性区宽度为依据，确立理论公式对煤柱合理宽度进行推算[11-13]。

保持护巷煤柱稳定性的煤柱宽度S为：

S=x1+2M+x2

(1)

式中，x1，x2为区段煤柱两边塑性区宽度；2M为区段煤柱中间弹性区宽度，M是巷道掘高。

采空区侧方煤柱边缘塑性区宽度为：

(2)

式中，m为上一区段平巷高度，取3.3m；A为侧压力系数，取1；φ为煤层内部摩擦角，取37°；C0为煤层黏聚力，取1.45MPa；k为煤体内应力集中系数，依据现场情况取2.5；H为巷道埋藏深度，取200m；γ为岩层平均体积力，依据现场地质情况取25kN/m3；P0为支护系统对区段煤柱的支护阻力，取P0=50kN。

巷道围岩塑性区宽度x2计算如下：

(3)

式中，η为塑性区宽度修正系数，取值1.6；R0为圆巷等效半径，取巷道宽度一半，即2.9m。

因此可得巷道围岩塑性区宽度为：

x2=1.6×2.9×

则煤柱宽度为：

S>4.35+2×3.3+2.05=13m

通过理论计算，煤柱宽度应大于13m。

2.2 不同尺寸煤柱应力分布特征

经过理论计算3号煤层煤柱合理宽度为大于13m。根据理论计算得到的煤柱合理宽度，选取15m，18m和21m宽度煤柱进行数值模拟，为对比明显，加入12m宽度煤柱进行对比模拟，模拟结果见图1。根据现场实际生产情况，工作面长度为180m，平均采高取3.0m进行计算，从而模拟出回采过程中的应力变化对区段煤柱另一侧巷道稳定性的影响以及宽度不同的区段煤柱对巷道位移大小的影响。为体现高强度开采，将回采开挖速度定为6000步[14]。

图1 不同煤柱宽度下煤柱垂直应力分布曲线

从图1中可以看出，当煤柱留设12m时，煤柱内会产生明显的支承应力叠加现象，垂直应力峰值最大达到了25.7MPa，此时煤柱处于应力集中状态，呈单峰形态，且易变形失稳。随着煤柱宽度不断增加，应力峰值的范围也随之不断扩大，煤柱宽度由15m增大到21m过程中，煤柱内垂直应力基本呈现“马鞍形”，煤柱两侧各出现一个应力峰值。区段煤柱宽度为15m时，应力峰值为25.2MPa；区段煤柱为宽度18m时，应力峰值减小为23.7MPa；区段煤柱宽度为21m时，应力峰值进一步减小到20.6MPa。随着区段煤柱宽度大于15m后，煤柱内垂直应力峰值逐渐减小，煤柱内2个垂直应力峰值之间平滑段逐渐增加，说明煤柱内弹性区范围越来越大，煤柱内应力集中范围明显减小，煤柱稳定性较好。

2.3 不同尺寸煤柱位移分布特征

对模拟方案中的2703巷道顶底板和两帮中点随步距的位移值进行统计，并绘出宽度不同的区段煤柱巷道在不同位置的曲线，如图2、图3所示。

由图2、图3可知，当区段煤柱宽度取12m时，靠近煤柱侧2703巷道左帮位移量为50mm，右帮位移量30mm，巷道顶板向下移动42mm，底板底鼓量23mm，竖直方向收敛量为63mm，巷道变形仍旧较大；当区段煤柱宽度取15m时，靠近煤柱侧2703巷道左帮位移量为40mm，右帮位移量为25mm，巷道顶板向下移动30mm，底板底鼓量22mm，竖直方向收敛量为50mm，巷道变形相比较小；当区段煤柱宽度取18m以后时，靠煤柱侧2703巷道左帮位移37mm，巷道右帮位移24mm，巷道顶板下沉量为28mm，底板底鼓量18mm，巷道变形进一步缩小。

2.4 不同尺寸煤柱塑性区分布特征及尺寸的确定

图4为不同宽度煤柱塑性区图，从塑性区的发展来看，弹性核区宽度随着煤柱宽度的增加逐渐增加，塑性区范围则逐渐减小。从图中看出，仅当煤柱宽度大于18m时，煤柱中心弹性核区已足够保证煤柱整体结构的完整性，并且在保证安全生产的前提下为了能够更多地采出煤炭，最终确定8701工作面煤柱留设宽度取18m。

图2 巷道顶底板下沉位移量监测曲线

图3 巷道煤柱侧、实体煤侧水平移近量位移曲线

图4 不同宽度煤柱塑性区模拟

3 现场支护与矿压观测

根据3号煤层8701工作面18m的煤柱宽度设计支护参数，相邻2703巷道采用锚杆-锚索-菱形金属网-W钢带支护，其中顶板采用左旋无纵筋螺纹锚杆，规格φ20mm2200mm，间排距为1000mm800mm；两帮所采用锚杆材料一致，规格为φ18mm2200mm，间排距1000mm1000mm，锚索长5000mm，间距为3000mm。

对3号煤层2703巷进行现场矿压观测。选取距开切眼100m内作为监测段，巷道内设置2处监测站，对巷道顶底板、两帮位移量进行监测，第1监测站距离开切眼约为50m，第2监测站距开切眼长度约为70m。如果某处断面发生围岩破损严重的情况，可以根据现场实际情况在监测区域内新增加观测站。

通过十字交叉法监测2703巷道在掘巷和回采期间顶底板和两帮的位移量。监测结果表明，南阳坡煤矿3号煤层煤柱留设18m的情况下，掘巷期间两帮位移最大为20mm。工作面开始推进时，2703巷道围岩变形逐渐增大，当推进一定距离以后，巷道的变形量逐渐趋于稳定，巷道两帮最大位移量最后趋向300mm，顶底板最大收敛量趋向于250mm，均在安全允许范围以内，证明该煤层留设18m区段煤柱是可行的。

4 结 论

(1)利用煤柱的强度理论和极限平衡理论计算表明，南阳坡煤矿3号煤层区段煤柱留设宽度的极小值为13m。

(2)利用FLAC3D数值模拟结果表明，为了保持稳定的区段煤柱整体结构，确保巷道使用期间的稳定性，南阳坡煤矿3号煤层煤柱留设宽度的合理尺寸不小于18m。

(3)确定南阳坡煤矿3号煤层区段煤柱留设宽度为18m，在3号煤层2703工作面进行了现场工业试验，通过对巷道围岩位移的观测，验证了方案的可行性，对以后南阳坡煤矿的高效开采有着重要的借鉴意义。