坚硬顶板特厚煤层综放面区段煤柱合理宽度研究

王 康，来兴平，2，郭俊兵，崔 峰，2

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.陕西省岩层控制重点实验室，陕西 西安 710054；3.西山煤电集团马兰煤矿，山西 古交 030205)

区段煤柱是指走向长壁工作面之间留设的保护煤柱，其主要作用是隔离采空区，维持下区段巷道的稳定性[1-3]。合理的区段煤柱不仅能够提高煤炭资源的采出率，还对工作面的安全生产有着重要的影响。对于区段煤柱留设的合理宽度，需要综合考虑围岩结构特性、重复采动影响、基本顶破断等诸多因素[4-6]。在综放面区段煤柱留设合理宽度问题方面，国内外学者进行了大量的研究。王旭春等[7]通过分析煤柱在三向应力状态下的极限强度影响因素，给出了不受地质采矿条件约束的煤柱计算公式；谢广祥等[8，9]通过理论分析、数值模拟、现场实测等方法，得出了综放面区段煤柱倾向支承压力的分布规律；刘金海等[10]采用现场微震与应力动态监测、理论计算、数值模拟等，同时考虑冲击地压、巷道支护等因素，确定了深井特厚煤层区段煤柱留设的合理尺寸；柏建彪等[11]计算分析了综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系；王德超等[12]通过现场监测得出了采空区侧向支承压力的影响范围，结合数值计算、物理模拟和工程实践，确定了深部厚煤层综放面的煤柱合理宽度。由于不同矿井地质条件的差异性以及开采格局的复杂性，对于坚硬顶板特厚煤层综放面区段煤柱留设合理宽度的研究尚需进一步完善与发展。

宽沟煤矿W1123工作面具有煤层厚、顶板坚硬且具有强冲击倾向性、煤矿开采格局复杂等特点。鉴于此，本文以W1123综放面为工程背景，采用理论分析、数值模拟、工程实践等方法，研究确定了区段煤柱的合理宽度并提出了巷道围岩控制技术，为类似工程条件下区段煤柱的留设提供了理论依据和参考。

1 矿井概况

1.1 宽沟煤矿采掘布局

神华新疆公司宽沟煤矿位于呼图壁县城西南70km，井田东西长9.7km，南北宽3.15km，井田面积约20.13km2。井田区域地层由老至新依次为石炭系中统前峡组(C2qx)、侏罗系下统八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)、侏罗系中统西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)、侏罗系上统齐古组(J3q)、喀拉扎组(J3k)。井田含煤地层为中侏罗统西山窑组，含可采及局部可采煤层7层，目前正在回采B2煤层。矿井开拓方式为反斜井开拓(主、副、回风井均为反斜井)，分为两个水平回采。

宽沟煤矿目前开采的W1123工作面埋深370～416m，走向长1469m，倾斜长192m，为一采区西翼第二个工作面，上区段W1121工作面已经回采完毕。W1123工作面采用综采放顶煤的开采方式，采高3.2m，放煤高度6.3m，煤层倾角12°～16°，平均14°，平均厚度9.5m，含矸0～2层，结构简单，在W1121与W1123工作面上部50m左右为B4煤层W1143与W1145采空区，工作面布置如图1所示。

1.2 B2煤层顶底板物理力学特性

B2煤层直接顶为细砂岩及粉砂岩，平均厚度7.6m，灰色，砂质胶结，裂隙节理不发育，单轴抗压强度为93.55MPa，属坚硬不易软化岩石；基本顶为粗砂岩，平均厚度8.5m，灰白色，层状构造，单轴抗压强度为115.25MPa，属坚硬不易软化岩石；底板以泥岩和粉砂岩为主，平均厚度5.76m，强度半坚硬，属软化岩石，底板稳定性差～较稳定。经测定，B2煤层顶板为具有强冲击倾向性的岩层。

2 综放面区段煤柱合理宽度理论分析

由于B2煤层回采工作面采用东西双翼跳采的开采方式，因此工作面区段煤柱将在巷道掘进和本工作面回采期间经历两次采动影响。当上区段工作面回采后，基本顶会在采空区边缘煤体内弹塑性界限处发生破断形成关键岩块B，在关键岩块B的回转作用下，上覆岩层传递到实体煤的倾向支承压力会向煤体内部转移，因此在煤壁处的煤体会产生破碎情况，而倾向支承压力则以断裂线为界分为“内应力场”(S1)与“外应力场”(S2)以及“原岩应力场”(S3)[13]，如图2所示。

在图2中，S1分布范围的计算公式[14]为：

式中，L为上区段工作面长度，取162m；M为基本顶岩层度，取8.5m；mz为直接顶岩层厚度，取7.6m；h为煤层厚度，取9.5m；γ为岩层容重，取25kN/m3；E为煤体弹性模量，取1.5GPa；v为泊松比，取0.33；Kc为煤岩碎胀系数，取1.2；C0为上区段工作面初次来压步距，取62.2m；L′为上区段工作面周期来压步距，取22.3～28.5m；ξ为与煤体内裂隙发育情况有关的影响系数，取0.8。

通过计算可得内应力场的分布范围S1=7.13～8.06m。由计算结果可知，可以留设7～8m的区段煤柱使得回采巷道处于低应力区，但是考虑到矿井顶板坚硬且具有冲击倾向性，在高强度综放开采的条件下，7～8m的煤柱在巷道掘进和工作面采动影响下，将有可能出现失稳破坏情况。而且为了避免基本顶于巷道附近破断所造成的矿压显现剧烈，基本顶破断线与巷道侧煤柱还需留有3～5m左右的距离，因此区段煤柱的留设宽度应为10.13～13.06m。为了验证理论分析的正确性以及对煤柱留设宽度进行进一步的优化，还需开展不同煤柱留设方案的数值模拟研究。

3 区段煤柱合理宽度数值模拟

3.1 数值模型建立

基于W1123工作面开采技术及地质条件，建立数值计算模型如图3所示。模型尺寸为394m×285m；在模型的顶部施加5.4MPa载荷用于模拟上覆岩层所施加的载荷，煤岩体本构模型采用摩尔-库仑模型。计算模型所采用的煤柱宽度分别为5m、8m、10m、13m、15m和20m。煤岩物理力学参数见表1。

计算模型的开采顺序为：首先开采W1143工作面，其次开采W1145工作面，接着开采W1121工作面，然后开采W1123工作面的回采巷道，最后开采W1123工作面。

表1 煤岩物理力学参数

3.2 不同宽度煤柱垂直应力分布特征

巷道掘进会导致煤柱内部的应力重新分布，巷道掘进期间不同宽度煤柱垂直应力分布等值线如图4所示，分析图4可知：当煤柱宽度为5m时，煤柱内部基本没有蓝色的应力集中区域产生，在煤柱宽度达到8m时，应力集中区域达到最大，之后随着煤柱宽度的增加，应力集中区域呈现逐步降低的趋势；巷道侧煤柱应力峰值位于1～2m处，采空区侧煤柱应力峰值位于2～3m处；随着煤柱宽度由5m增加到20m的过程中，巷道侧煤柱的应力峰值由24.2MPa减小为9.2MPa。

图4 掘进期间不同宽度煤柱垂直应力分布等值线图

工作面的采动影响对于煤柱的稳定性影响较大，工作面回采期间不同宽度煤柱垂直应力分布规律如图5所示，分析图5可知：①在工作面回采期间，由于受到工作面超前支承压力与采空区残余支承压力的叠加影响，煤柱内部的应力值较掘进期间有明显的增加；②当煤柱宽度为5m、8m和10m时，煤柱内部应力呈“单峰”状态分布，当煤柱宽度大于10m时，煤柱内部应力分布呈不对称“双峰”状态分布；③当煤柱宽度小于10m时，煤柱内部的应力变化趋势较为剧烈，而且此时煤柱内部的应力峰值随煤柱宽度的加大由45.4MPa升高为50.9MPa，在煤柱宽度达到13m及以上时，煤柱内部的应力变化趋势较为缓和，在煤柱宽度为20m时，应力峰值减小至27.5MPa。

图5 回采期间不同宽度煤柱垂直应力分布规律

3.3 不同宽度煤柱塑性区分布规律

巷道掘进与工作面回采期间不同宽度煤柱塑性区分布规律如图6所示，由图6可知：①在巷道掘进期间，塑性区的宽度在2～4m之间，塑性区占比保持在25%以下；②在工作面回采期间，当煤柱宽度小于10m时，煤柱内部塑性区出现了贯通现象，随着煤柱宽度逐渐加大，宽塑性区宽度在逐步减小，当煤柱宽度为13m时，煤柱内部出现5m的弹性核区，当煤柱宽度进一步增加到20m时，塑性区宽度仅有3m；③在工作面回采期间，当煤柱宽度为5m、8m和10m时，塑性区占比分别为76%、74%与65%，当煤柱宽度增加到13m时，塑性区占比迅速降低为28%，此后随着煤柱宽度继续增加至15m和20m时，塑性区占比进一步降低为16%与6.3%。

图6 不同宽度煤柱塑性区分布规律

3.4 区段煤柱合理宽度确定

由数值模拟结果可知，当煤柱宽度为5～10m时，在受到工作面采动影响下，煤柱内部应力较高，塑性区出现了贯通现象且面积较大，煤柱稳定性较差；在煤柱宽度达到13～20m时，煤柱内部应力分布状态较为平缓，应力峰值逐渐降低，塑性区占比迅速减小为28%、16%与6.3%，煤柱稳定性不断增强。工作面区段煤柱的留设，要既能有效控制巷道围岩的稳定性，又能保证较高的煤炭资源采出率，结合理论分析结果，确定区段煤柱的合理宽度为15m。

4 工程实践

4.1 留巷支护概况

W1123工作面巷道断面为圆弧拱形，掘进宽度为4700mm，巷道断面中心掘进高度3700mm。在运输巷掘进过程中局部区域出现了两帮变形量大、顶煤下沉严重等问题。因此，为了保证采掘过程中巷道围岩的稳定性，除了留设合理的煤柱宽度外，还需进一步增加巷道围岩的支护强度，在结合围岩结构特征的基础上，提出了采用“锚杆+锚索+锚网+钢带”的联合支护方式。锚杆采用规格为Φ18mm×2500mm的等强锚杆，锚杆间排距为800mm×800mm，每根锚杆使用2支CK2350型树脂锚固剂；锚索采用规格为Φ18.9mm×10500mm的钢绞线，锚索间排距为2400mm×2400mm，每根锚索使用3支CK2350型树脂锚固剂；锚网采用4#冷拔丝网，锚网宽度为1000mm；钢带采用Φ12mm的圆钢加工，排距为800mm。巷道具体支护参数如图7所示。

图7 巷道支护设计断面图(mm)

4.2 留巷效果分析

在W1123工作面回采过程中，采用“十字布点法”在超前工作面90m、100m和110m布置三个监测断面，对运输巷顶底板及两帮移近量进行监测，巷道变形量曲线如图8所示。由图8可知：在距离工作面80～110m范围内，顶底板的移近量在0～0.023m之间，两帮移近量在0～0.02m之间；在距离工作面30～80m范围内，顶底板的移近量在0.023～0.15m之间，两帮移近量在0.02～0.257m之间；在距离工作面5～30m范围内，顶底板的移近量在0.15～0.214m之间，两帮移近量在0.257～0.325m之间。现场监测结果表明，巷道围岩变形处于工程所允许的范围之内，且能够满足巷道行人、运输以及通风的要求。因此，采用15m煤柱结合“锚杆+锚索+锚网+钢带”的联合支护方式合理有效，不仅可以维持巷道的整体稳定性，还可以保障工作面的正常生产。

图8 巷道变形量曲线

5 结 论

1)通过对综放面区段煤柱合理宽度的理论分析表明，基本顶破断以及重复采动对于区段煤柱的稳定性影响较大，基于内应力场分布范围得出区段煤柱宽度应为10.13～13.06m。

2)利用数值模拟对不同宽度煤柱在采掘影响下的应力分布特征以及塑性区分布规律研究表明：当煤柱宽度为5～10m时，在工作面采动影响下，煤柱内部应力较高，塑性区出现了联通现象且面积较大，煤柱稳定性较差；在煤柱宽度达到13～20m时，煤柱内部应力分布较为平缓，应力峰值逐渐降低，塑性区占比迅速减小为28%、16%与6.3%，煤柱稳定性不断增强，结合理论分析综合确定区段煤柱留设的合理宽度为15m。

)现场监测表明：采用15m煤柱结合“锚杆+锚索+锚网+钢带”的联合支护方式合理有效，既能够提高煤炭资源的回收率，又能够有效控制巷道稳定性，从而保障工作面的正常生产。