特厚综放工作面沿空窄煤柱尺寸研究

杨祯龙

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024；2.同煤集团安全监管五人小组管理部，山西 大同 037003）

0 引言

综放开采技术的发展是煤矿经济效益快速增长的一种前提因素，为进一步提高综放工作面效率，加强综放工作面的顶板管理，煤柱的宽度至关重要[1]。如何在保障工作面开采过程安全生产，又以最大限度的对不可再生能源加以利用，是现今采矿界必须面对的问题[2]。安全生产涉及巷道稳定性，而护巷煤柱对维护巷道稳定起着关键性作用。煤柱尺寸既与安全息息有关，又和煤炭资源利用率有关，留设不足造成巷道围岩难以控制，甚至酿成安全事故。留设过宽，造成资源的浪费，降低矿井经济效益，更不符合国家倡导的走资源节约型的方针。虽然众多学者进行了一些护巷窄煤柱的研究[3]，但对于特厚综放工作面沿采空区留设护巷合理窄煤柱尺寸研究还不是很完善，以塔山煤矿特厚3-5#煤综放8101工作面沿8102采空区留设窄煤柱为背景进行研究。

1 地质概况

塔山矿已成功回采了一盘区8102、8103工作面，原区段护巷煤柱宽度留设38m左右，但工作面顺槽矿压显现强烈，巷道变形、冒顶严重，甚至局部底鼓，且两工作面保安煤柱较宽，资源浪费严重，煤柱损失高达10%～30%，煤炭资源损失严重，这两个问题制约着矿井安全高效的发展，与塔山煤矿循环经济工业园理念背道而驰。

塔山煤矿3-5#煤8101工作面走向长度1445m，倾向长度231.4m。该工作面所在位置煤层平均厚度20.08m，夹矸2～9层，煤层节理较为发育，地温梯度为3.29℃/100m，为低瓦斯工作面。根据物探报告、地质报告、8102工作面开采等资料显示，8101工作面所处范围无大的陷落柱、断层等地质构造。8101工作面与8102采空区相邻，其中8102工作面于2007年7月就已回采完毕，现阶段准备开采8101工作面。

8101工作面伪顶厚为2～6m，主要以高岭质泥岩、炭质泥岩、泥岩为主，局部含有砂质泥岩。直接顶厚约20m，主要以厚层状中硬以上粗粒砂岩和砂砾岩为主，局部含有高岭岩、高岭质泥岩。老顶以粗粒砂岩、细粒砂岩为主，部分为中粒砂岩、砂砾岩。底板多为砂质高岭质炭质泥岩、泥岩和高岭岩，局部含少量粉砂岩和细砂岩。根据塔山煤矿地质报告、岩石试样试验等资料显示，3-5#煤8101工作面顶底板围岩物理力学参数见表1。

表1 围岩物理力学参数

2 窄煤柱宽度理论分析

2.1 护巷窄煤柱采空区侧覆岩垮落结构

如图1所示，窄煤柱一侧工作面在采空后，伪顶、直接顶等随采随落，上方老顶类似砖型块体下沉或回转变形。远离煤柱区域，如块体C直接随下方岩体变化沉降。在煤柱区域的块体B以破断线脚处为圆点旋转，与块体A和块体B铰接咬合。窄煤柱采空区侧上覆老顶的变化，上部载荷作用力则会加载到窄煤柱上，煤柱边缘基本会形成应力集中。从采空区侧边缘到煤体侧，煤柱依次出现破裂区、塑性区、稳压区[4]。

图1 一侧采空窄煤柱护巷时岩体变形情况

2.2 窄煤柱应力分布

煤体开挖以后，稳定煤柱内部应力分布规律[5]，较为权威且为绝多大数采矿研究者所认同的是A.H.Wilson的两区约束理论。由煤柱载荷试验可知，其内部应力随着加载的外部作用力不同而不断变化，煤柱内部应力最高点到靠近采空区边缘范围，煤柱承受上覆作用力过强，且向采空区侧发生一定的塑性变化，这部分可以称之为煤柱内塑性区；与采空区相邻区域，支承力极小的区域称之为煤柱内破裂区；在煤柱中部区域，基本未发生变形，煤柱支承应力低于邻近塑性区应力，由塑性区夹逼、还处于弹性范围、应力是三轴下的情况这部分称之为原岩应力弹性区，也叫煤柱弹性核区。煤柱应力分布如图2所示，图中Ⅰ为稳定煤柱破裂区，Ⅱ为煤柱塑性区，Ⅲ为煤柱弹性核区。

图2 煤柱三区分布示意图

2.3 沿采空区护巷窄煤柱宽度计算

采用极限平衡理论和弹塑性理论计算[6]，3-5#煤8101综放工作面沿8102采空区空最小护巷煤柱宽度B，如图3所示。

8101综放工作面沿8102采空区最小护巷煤柱宽度B可以表示为：

式中：B为最小护巷煤柱宽度；x0为采空区侧塑性区；R为锚杆锚固深度，取2.4m；L0为弹性核区。

图3 沿空最小护巷煤柱计算模型

煤柱的一侧塑性区宽度x0为：

式中：m为煤层平均厚度，20.08m；K为集中应力系数，2.5；γ为上覆岩层平均容重，25kN/m3；H为煤层平均埋深，465m；C为煤柱内聚力，1.8MPa；φ为煤体内摩擦角，33°；λ为塑性区与弹性核区的侧压系数，0.3；ξ为三轴应力系数，3.39；F为煤岩互层系数，1.1。

将以上各个参数代入上述公式（2）中，计算得采空区一侧煤柱塑性区宽度x0为3.107m。

将数据代入公式（1）中计算得到煤柱宽度范围6.33～7.43m。因此，为了满足煤柱强度和稳定性要求，8101综放工作面沿采空区侧的窄煤柱应留设大于或等于计算的极限煤柱宽度，即8101综放工作面护巷煤柱的最小宽度应为7.43m。

3 窄煤柱数值模拟研究

3.1 FLAC3D模拟模型建立

为了合理的确定综放8101工作面沿空护巷煤柱的宽度，同时全面、客观地反映煤柱的合理性，构建FLAC3D三维数值模拟计算模型，模拟在开采过程中留设的四种不同煤柱宽度，观察各自塑性区范围，根据塑性区分布从而确定出合理可行的最佳护巷窄煤柱宽度。

3.2 模拟结果及分析

模型建好后，模拟开挖8101工作面，开挖步距为45m，在超前工作面10m处切开取其剖面，分别观察护巷窄煤柱宽度为4m、6m、8m和10m下各自的煤柱塑性区分布情况，以便确定出护巷窄煤柱最佳宽度。

图4 不同护巷窄煤柱宽度下塑性区分布

在超前工作面10m处，从各个煤柱的塑性区分布来看，煤柱为4m和6m时，几乎整个煤柱均处于塑性区内，说明在采动影响下，该煤柱会发生失稳破会，无法保证工作面安全生产。煤柱为8m和10m时，靠近采空区侧塑性区范围较大，但整个煤柱未被塑性区贯通，说明中部区域具有弹性核区，塑性区区域显著减小。就8m和10m煤柱相比较，明显10m煤柱的塑性区范围小于8m煤柱，就稳定上来说，留设10m煤柱更加有优势，但考虑到资源的损失，而且从塑性区分布来看8m煤柱也能满足稳定性要求，故塔山煤矿特厚8101综放工作面最佳煤柱留设尺寸取8m更加合理。

4 工业性实践

4.1 窄煤柱变形实测

在开采期间，在巷道具有不同特征位置处布置四个测点，对沿8102采空空巷道表面位移变化进行实测，测得巷道顶底板及两帮位移值如表2所示。

表2 综放沿空巷道围岩变形实测结果

从表2四个测点结果来看，靠近煤体侧的左帮最大变形量为79mm，煤柱侧的右帮最大变形量为97mm，顶板最大下沉量为43mm，底臌量最大为22mm，巷道位移变形量均在较小合理范围内，说明巷道稳定性较好。进一步反映了综放8101工作面沿空的8m窄煤柱能够满足巷道的稳定性要求，其煤柱尺寸留设合理。

4.2 窄煤柱应力实测

图5 窄煤柱应力监测结果

在8101工作面开采过程中，运用钻孔应力计对窄煤柱内部应力进行实时监测。从工作面开采时就开始收集数据，直到工作面初次来压时结束。共测了煤柱三个不同位置处的应力，煤柱应力监测结果如图5。

在开采过程中，三个测点距工作面50～26m范围，随着工作面的临近，煤柱应力监测值缓慢上升；在距工作面26～13m范围，随着工作面的临近，煤柱应力急剧上升，上升斜率大；在距工作面13m范围内，煤柱应力有所下降，但均远高于原岩应力。这表明在工作面推进过程中，煤柱受力不断增大而后变缓，但仍高于远离工作面较远处的应力。1#、2#和3#测点应力监测值变化规律基本相同，应力峰值较高且相近，这表明特厚煤层综放工作面沿空留设的8m窄煤柱不会发生失稳破坏，能够满足8101工作面开采期间的强度要求。

5 结 论

根据塔山煤矿8101综放工作面工程概况，通过理论分析计算和数值模拟，确定了护巷窄煤柱留设最佳尺寸为8m，并通过现场实测表明，该窄煤柱护巷有效。

1）稳定性。8101工作面在开采期间，留设的8m窄煤柱能够满足强度要求，在8m护巷煤柱保护下，8101综放工作面顺槽稳定性较好，未进行高成本维护，工作面实现了安全高效生产。

2）经济性。8101综放工作面沿空留设8m的窄煤柱，增产百万余吨，减小了不可再生资源的损失，提高了采出率，显著增加了矿井经济效益。