浅埋煤层综放工作面区段煤柱优化设计研究

张 瑞

(山西潞安集团 蒲县黑龙煤业有限公司，山西 蒲县 041200)

1 工程概况

潞安集团黑龙煤业2103综放工作面开采9#+10#+11#煤，工作面开采范围内煤层厚度稳定，9#煤与10+11#煤之间有一层夹矸厚度平均为1.6 m，10#与11#煤层合并。9#煤平均厚度0.8 m，10#+11#煤平均厚度4.8 m，煤层顶底板岩性见表1. 2103工作面地面位置位于毛家沟村的南面，距毛家沟村220 m；煤层层位位于下水平9#+10#+11#煤层，与上水平2#煤层之间垂直距离69 m. 地面标高：1 273～1 430 m，工作面标高：1 050～1 235 m，盖山高度：88～205 m，埋深较浅。

表1 顶底板岩性表

2 区段煤柱优化前的现场实测

为了掌握优化前区段煤柱内支承应力的变化规律，确定合理煤柱的宽度，利用高精度ZLGH钻孔应力计测试工作面回采期间煤柱煤体应力状态[1]. 2101工作面回采为第一次采动影响下，通过应力变化趋势，确定采动影响下煤柱破坏范围。2101工作面运输顺槽与2103工作面回风顺槽间煤柱上检测孔的布置见图1，钻孔垂直煤壁沿水平方向钻进，孔间距2.0 m，钻孔深度为1～10 m，在正在回采的2101工作面一侧和即将回采的2103工作面一侧分别布置测点，观测煤柱内的应力变化情况。

通过应力计在2101工作面回采期间读数的统计，整理后得到曲线图，见图2. 通过煤柱内不同深度下煤体应力状态的变化，确定该范围内煤岩体处于塑性状态还是弹性状态。图2a)为2101工作面一侧煤柱应力变化曲线，测试孔深度为9 m时，煤柱内应力曲线变化规律为先减小，后增大，随后稳定不变；测试孔深度为1.0 m、1.5 m、2.5 m、6 m时，区段煤柱内煤岩体应力变化可分为4个阶段，距回采工作面40 m以外时为稳定段；距工作面距离40～20 m为缓慢增长段；距离为20～-40 m时为快速增长阶段；距离超过-40 m后继续进入到稳定阶段；钻孔深度为3.0 m时，应力峰值最大，竖直方向上的应力最大增幅为2.86 MPa，导致该位置的煤体已经完全塑性破坏，煤柱内4.5 m处应力虽有增加，但是增幅非常小，并且整体上增加量为负值。因此，因2101工作面回采导致区段煤柱靠近采空区一侧的塑性破坏深度为3.0～4.5 m.

图1 区段煤柱各个监测钻孔应力计平面布置图

图2 2101工作面回采期间煤柱内部应力变化曲线图

2101工作面回采引起区段煤柱在2103工作面一侧应力变化测试结果见图2b). 煤柱内竖直方向上应力的变化整体呈现“平稳—增大—减小—平稳”的趋势，测试孔深度为3.5 m、4.5 m、5 m时应力变化规律基本同步，并且增幅较小，由此可以认定该区域煤体处于弹性状态，测试深度为2.5 m时，应力值波动明显，在工作面回采后又有较大的增加，而2.0 m处煤岩体应力增加非常微小，因此可以认为煤柱内塑性破坏区为2.0～2.5 m.

2101工作面回采期间，对巷道围岩的变形也进行了观测，巷道顶板下沉量最大约为2.0 cm，两帮移进量最大约为4.5 cm，整体上巷道非常稳定，靠近采空区一侧塑性破坏深度为3.0～4.5 m，靠近2103工作面一侧破坏深度为2.0～2.5 m，区段煤柱完整性很高，由此可知30 m的区段保护煤柱在采动的影响下具有非常好的稳定性。为了提高煤炭资源的利用率，提高该矿的经济效益，现阶段区段煤柱宽度虽然能够满足安全生产的需求，但是不利于生产效率和采出率的提高，因此决定对煤柱宽度进行优化设计。

3 合理煤柱宽度理论分析

在2101工作面回采完毕后，采空区由直接顶岩层垮落充填，基本顶岩层破断铰接形成见图3a)，其中块体A为稳定的上覆岩层，B为弧形三角块，属于稳定与垮落的过渡阶段，块体C为完全垮落的岩层。由此可知，块体B的稳定对于区段煤柱的稳定性起决定性的作用[2-3].

图3 区段煤柱稳定性分析示意图

为了更加直观地分析计算，将上覆岩层砌体梁结构进行简化处理，见图3b).应用多跨梁理论分析结构的稳定性，根据实际情况，可以将煤柱煤岩体分为两种状态：1) 区段煤柱内存在一定宽度的弹性核区，具有较好的支撑能力，即煤柱内煤岩体处于弹性状态。2) 区段保护煤柱煤岩体完全破坏，丧失了其支撑能力。通过计算可以得到大巷顶板岩层B点的挠度(x=x2)：

(1)

为了方便计算进行如下简化：

(2)

则可将式(1)化简为：

WB=bP+cF+dQ+aq′

(3)

煤柱上覆岩层在均布载荷q′及集中载荷Q、P和F的作用下进行弯曲变化，当保护煤柱处于弹性状态时有：

F=K|wB|=-KwB

(4)

F=-KdQ-Kaq′-Kbp-KcF

(5)

通过以上计算可知，当煤柱处于弹性状态下时F>Fs，此时煤柱具有足够的支撑能力，能够有效地保证巷道围岩的稳定性。若区段保护煤柱全部变为塑性状态，则F=Fs，这时区段煤柱已经失去大部分的支撑能力，稳定性非常差，就必须采取合理的补强措施，但是需要花费大量的人力物力，不够经济。因此，区段保护煤柱宽度的合理性在于是否能使区段煤柱中存在一定宽度的弹性核，使其承受上覆岩层的载荷，在工作面回采期间保证巷道的稳定性，将围岩变形控制在合理的范围内。为了确定能够满足上述要求的合理煤柱宽度，根据工作面情况分析研究煤柱宽度。

4 合理区段煤柱宽度模拟研究分析

利用FLAC3D软件对潞安黑龙煤业2103工作面进行数值模拟[4]，研究分析区段煤柱内围岩塑性区的发育情况，据此设计合理的煤柱宽度保证巷道围岩的稳定性。黑龙煤业10+11#煤层平均厚度4.8 m，回采巷道断面高度为3.8 m，宽4.5 m. 10+11#煤层平均埋深为160 m，上覆岩层平均容重为2.5×10 kN/m，垂直方向上施加的均布载荷P=(埋深-顶板厚度)×容重=3.5×103kN. 模拟方案为：在2101工作面回采后，2103工作面回采留设不同宽度的区段煤柱(11～21 m，2.0 m为一个梯度)，观察两个工作面回采后区段煤柱的应力状态。不同宽度区段煤柱的塑性区分布结果见图4.

由图4可知，煤柱两侧工作面回采引起煤柱内的应力重新分布，煤柱内应力过大产生一定范围的塑性破坏区，区段煤柱宽度为13～21 m时，煤柱内存在一定宽度的弹性区域，也存在一定的塑性区域，此时煤柱仍然具有较好的支承能力，能够保证巷道的稳定性；煤柱宽度为15～17 m时，煤柱内部弹性核区的宽度为7.5～9.0 m，既有足够的支承能力，又能提高工作面采出率；煤柱宽度大于17 m时，弹性核区宽度较大，选择过于保守，不符合绿色高效开采的目的；当煤柱宽度减小为11 m时，煤柱靠近底板的区域塑性破坏贯通，煤柱丧失了支承能力，无法保证巷道的稳定性。由此可知，合理的煤柱宽度应为17 m左右。结合现场实测结果、理论分析和数值模拟分析，综合考虑安全、经济多方面因素后，确定合理的煤柱宽度为17 m左右。

5 区段煤柱优化后现场工业试验

通过以上分析研究，最终在2103工作面运输顺槽与2105工作面回风顺槽间区段煤柱宽度留设为17 m，同比减小了13 m. 在2103工作面回采期间对巷道围岩的变形情况进行观测，整理后的结果见图5.

图5 巷道围岩变形曲线图

由图5a)可以看出，2103工作面回采期间运输顺槽顶板最大下沉量为48 mm，两帮最大移近量为20 mm，在其服务期间围岩稳定性非常好。2103工作面回采引起2105回风顺槽变形。由图5b)可知，顶板下沉量维持在40 mm以下，两帮移近量维持在25 mm以下，巷道围岩稳定。根据工作面回采期间巷道围岩的变形情况可知，区段煤柱宽度减小为17 m能够满足生产的需求。

6 结 论

经过现场实测，区段煤柱宽度为30 m时，靠近采空区一侧煤柱内塑性破坏深度为3.0～4.5 m，相邻工作面一侧破坏深度为2.0～2.5 m，区段煤柱稳定性非常好，煤柱宽度过大。经过理论分析和数值模拟，确定潞安黑龙煤业合理煤柱宽度应为15～17 m，现场应用及观测结果表明，17.0 m区段煤柱最安全、合理。