低煤层煤柱回采率与顶板和地表沉降研究

李 慧

（大同煤矿集团大斗沟煤业公司，山西 大同 037000）

0 引言

煤柱的回采意味着地表的沉降，如果煤层深度小于100m，沉降可能大。房柱回采沉陷预测非常复杂，取决于剩下的残余煤柱的大小以及高度和回撤煤柱的状态，与残余柱的强度也有关。残余柱的强度与开挖方法(钻爆法或机械法)有关[1,2]。大同煤矿集团大斗沟煤业公司矿区内的一些整合的小煤矿，采煤方法以前为房柱开采法，其煤柱回采率越高，煤柱变形和顶板位移越大。以此建立顶板沉降预测模型，与实测沉降进行了对比。

1 现场采矿实践和观察

由于矿山的总产量较低，公司研究通过提高煤柱回采率来提高煤炭采收率。在试验过程中进行了多次回采实践的迭代，并将此方法应用于研究矿井。最初，只有一侧煤柱回采了2m深。即回采前煤柱尺寸为7m×7m，回采后柱尺寸为7m×5m。该回采方式的采收率约为65%。图1煤柱（B柱）为公司原回采后煤柱图和现公司改进回采后煤柱A。

公司决定推进更高效的回采应用，挖掘更大体积的煤柱。第一次切割后，从矿柱上再挖出2m×5m的二次切割，将矿柱尺寸减小到只有5m×5m（图1 A矿柱），改进后面板的全部采收率提高到75%～80%。

图1 原回采后煤柱图B和现改进回采煤柱图A

图2 工作面板爆破区和监测点

图2 为改进后面板和监测点位置。实施爆破后柱子的最终形状不是方形，这是由爆破过程失控造成。图2为变形后柱子的最终形状A和开采阶段柱的形状B。煤柱面积变化较大16～33m2之间，预计目标面积为25m2。爆破后平均柱面积为23.27m2，标准差为4.88m2。每根柱子的最终形状和强度也是不同的。爆破作业对煤柱完整性的另一影响为：在爆破过程中，部分激波仍留在煤柱内，导致削弱剩余的支柱强度。

图3实际顶板沉降监测值

图3 为沉降区域的收敛监测。当工作面位于T36时，工作面后5～6排柱子开始挤压，顶板沉降速度快，沉降量变大，如图3（a）所示。失效的迹象是煤柱开始破裂。挤压发生的非常快，之后顶板沉降率下降，最终在两个月内稳定下来，如图3（b）所示。在煤柱破坏过程中，对地表面沉降进行了监测。三个月后沉降达到平衡（如图4所示）。

图4 实际测量地表沉降值

2 支柱力量

采用Mark and Chase 2013年研究的煤柱稳定性（ARMPS）软件设计工具分析设计煤柱，煤层强度输入为6.5MPa[2]。煤层强度采用Satyanarayana I等人提出的反向分析方法。在Satyanarayana I等人的研究中，在145m的覆岩层深度下，采用高1.3m的5m×5m方柱进行面板试验。在这次测试中，柱子没有失效。据此估算煤体强度为6.5MPa[3,4]。

在本文重点研究的面板中，开发柱为7m×7m，剩余柱为5m×5m。Satyanarayana I等人进行的面板试验与公司改进回采煤柱面板试验的区别是：改进后的5m×5m煤柱是由煤柱两侧的两组连续爆破而产生的结果（图1中A煤柱）。

采用与ARMPS相同的反向分析方法，必须降低柱的强度，才能发生煤柱破坏。由于煤柱尺寸确实发生了变化，导致煤柱强度发生变化。表1显示了由ARMPS估计的各柱的安全系数（SF）及爆破后的煤柱强度，省略一部分数据。

7m×7m计算开采煤柱和两个计划的回采煤柱尺寸的SF：两个削减为（7m×5m）和两个削减为（5m×5m）的回采煤柱。对于这些估计，使用较低的煤强度5MPa与原假设6.5MPa，见表2。

表1 各煤柱回采后SF值

表2 不同煤柱尺寸、不同煤柱强度的安全系数

3 沉降模拟

根据研究人员所描述的经验方法，顶板与底板完全汇合的情况下，地表最大下沉量为顶板下降高度的80%[1]。然而，煤柱限制了顶板的运动，降低了顶板的总沉降量。从图3可以看出，顶板最大沉降点约为40cm，是原始柱高1.3m的30.7%，根据经验方法预测地表最大沉降是32cm，比实际地表测量值19.5cm大12.5cm。

3.1 数值模拟

为了建立一个数值模型来模拟面板上方的完整运动，考虑了所有覆岩层和煤层。图1和图2显示了建模柱子的几何形状。

数值模型的目的是模拟面板沉降区域上方的煤柱挤压和岩石运动。Plaxis3D是用来模拟沉降，使用真实的开采和残余柱子的形状如图2所示。模拟挤压煤柱的材料特性减少到模拟爆破效果（见表3和图2），材料属性定义了基于钻孔地质特征描述和实验室检测的煤层特性。

表3 数值模型中岩石层的力学性质

利用现场测量的柱状几何图形建立了两种模型，模拟了开采和回采过程。根据监测图（图3）可知，煤柱塑性点少，竖向位移小，在回撤过程中，爆破效果降低了煤柱强度。图5和图6分别给出了开发阶段和后退阶段塑性点、竖向位移和竖向应力的模型结果。

图5 煤柱在开采阶段的塑性点、顶板竖向位移和竖向应力

图5 为开采模型结果。煤柱周围有少量塑性点，柱中心的竖向应力与柱周围的竖向应力相差不大。说明由于钻爆开挖，柱子的损伤很小。

图6 煤柱在回采阶段的塑性点、顶板竖向位移和竖向应力

从图6中可以看出，煤柱周围大量塑性点，柱中心的竖向应力与柱周围的竖向应力相差较大。说明由于爆破开挖，导致煤柱强度受到较大破坏。图6还表明，模型中煤柱破坏时的顶板最大位移52cm比现场测量值40cm大12cm。这表明更大的顶板和地表沉降是可能的。

4 结 论

对监测到的沉降和煤柱SF进行了反向分析和数值模拟。在现场监测基础上标定的数值模型与井下观测到的残余煤柱的行为一致。因此，可以模拟不同的柱几何形状和回采序列。同时研究表明，由于残余煤柱和低煤层导致实际沉降量低于常规预测方法预测的沉降量。