特厚煤层综放工作面合理区段煤柱宽度研究

张建民

(西山煤电临汾公司 光道煤业，山西 临汾 041000)

特厚煤层合理的区段煤柱宽度能够保证煤柱的稳定，使工作面安全回采，在此基础上应尽可能地缩短区段煤柱的宽度，以实现煤炭资源开采的可持续性[1]. 刘金海、姜福兴等[2]以新巨龙矿井特厚煤层综放工作面为工程背景，综合考虑巷道支护、资源回收、次生灾害控制、冲击地压防治等因素，确定该矿深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度为5.0～7.2 m. 陈绍杰、郭惟嘉等[3]以建新矿13#煤层为研究背景，通过物理试验及数值模拟软件的手段对不同煤柱宽度下回采时煤柱的稳定性和煤柱的应力进行了分析，确定该矿20 m的煤柱宽度可保持煤柱的稳定性。以斜沟煤矿具体的生产地质条件为背景，采用不同的理论计算方法得出煤柱宽度，并通过数值模拟的方法对不同宽度煤柱在回采过程中的应力分布情况进行分析，得到合理的煤柱宽度。

1 工程概况

斜沟煤矿23112综放工作面即将回采结束，需进行下区段23110综放工作面的准备作业。23110工作面的南侧西侧均为实体煤，所采13#煤层的倾角为7.1°，普氏硬度为2～3，煤厚14.52～15.15 m, 平均14.79 m. 煤层上方为可见黄铁矿结核，厚0～1.53 m,平均0.99 m的沙质泥岩直接顶，直接顶上覆有厚度7.4 m呈灰白色的中细粒砂岩基本顶；泥岩基本底和碳质泥岩直接底的厚度分别为9 m和2.1 m.

2 23110综放工作面合理区段煤柱宽度的理论计算

合理的区段煤柱宽度应使顺槽处于侧向支承压力的应力降低区内，保证回采巷道的稳定，并要求煤柱宽度能够隔绝上区段的采空区，即在保证安全的前提下尽量提高回采率。

2.1 经验估算法

经验估算法认为：上区段工作面回采且顶板垮落稳定后，会导致下区段煤层上方支承压力的重新分布[4]，如图1所示，煤层距离上区段工作面采空区由近及远会形成减压带、支撑压力升高带、压力高峰带、支承压力下降带和原岩应力带。原则上应将所留设煤柱及回采巷道布置在原岩应力带内，避开高于原岩应力压力的区域，即可使所留设的煤柱及回采巷道承受较低的支承压力，使其便于维护。

图1 煤柱侧向支承压力分布条带图

所留设煤柱边缘距支撑压力高峰带顶点的距离L可由经验公式(1)计算得到：

L=15.015-0.475f-0.16Rc1-0.199ξ+

1.593m+1.7×10-3H

(1)

式中：

L—所留设煤柱边缘距支撑压力高峰带顶点的距离，m；

f—所留设煤柱煤体的坚固性系数，取2；

Rc1—煤层直接顶的单轴抗压强度，MPa，取70.8；

ξ—该特厚煤层的平均倾角，(°)，取5；

m—该特厚煤层的采高，m，取4.6；

H—所采煤层的埋深，m，取313.

将上述参数代入式(1)即可计算得到23110工作面与23112采空区之间所留设煤柱边缘距支撑压力高峰带顶点的距离L为9.6 m. 实体煤内受采动影响而形成的侧向支承压力基本上呈对称分布，即支承压力升高带、高峰带与下降带的总宽度应为2倍的煤柱边缘距支撑压力高峰带顶点的距离。经验估算法应将巷道布置在这一区域外，即煤柱宽度L1≥19.2 m.

2.2 载荷估算法

载荷估算法认为：留设区段煤柱后，煤柱会承受两部分载荷，即采空区残留破断顶板传递的载荷和煤柱覆岩自身载荷[5].合理的煤柱宽度应保证能够承载这两部分的载荷之和,见图2.

图2 区段煤柱受载示意图

通过式(2)可以计算出煤柱体单位长度所承受的总载荷：

P=[(L2+D)×H-0.25D2cotψ]ρg

(2)

式中：

P—留设煤柱所承受的总载荷；

L2—所留设区段煤柱的宽度，m；

D—上区段采空区宽度，m，取180；

ψ—所采煤层直接顶的自然垮落角，(°)，取42；

ρ—直接顶岩层容重，g/cm3，取1.99；

g—9.8 N/kg.

在得到留设煤柱所承受的总载荷后，即可通过式(3)计算得到煤柱单位宽度上的载荷σ：

(3)

而煤柱极限载荷的计算公式见式(4)：

(4)

式中：

R—煤柱极限载荷；

Rc2—所采13#煤单轴抗压强度，MPa，取16.4；

h—所留设区段煤柱的高度，m，取4.6.

联立上式即可得到载荷估算法条件下合理煤柱宽度应满足的条件为σ≤R，即煤柱能承受的极限强度要大于煤柱所承受的平均载荷。通过计算得到载荷估算法条件下，23110工作面留设的区段煤柱宽度L2≥19.6 m.

2.3 弹性核理论计算法

弹性核理论[6]认为：合理的煤柱宽度应保证上区段回采及下区段掘进后煤柱两侧产生塑性形变后，煤柱中央有一定宽度的弹性区保证煤柱的稳定，弹性区的宽度应大于等于二倍的煤层采高，即合理煤柱宽度由式(5)计算得到：

L3=x0+2m+x1

(5)

式中：

L3—弹性核理论下区段煤柱的合理宽度，m；

x0—煤柱在上区段工作面回采时形成的塑性区宽度，m；

x1—煤柱在下区段回采巷道掘进时形成的塑性区宽度，m；

m—该特厚煤层的采高，m，取4.6.

由极限平衡理论，x0的计算公式见式(6)，x1的计算公式见式(7)：

(6)

式中：

f0—砂质泥岩直接顶与13#煤层间的摩擦因数，取0.64；

K—应力集中系数，取1.4；

γ—23110工作面覆岩体积力的平均值，kN/m3，取18；

C—该特厚煤层内聚力，MPa，取1.3；

φ—该特厚煤层内摩擦角，(°)，取30.48.

计算得到x0=7.38 m.

(7)

式中：

px—煤柱帮的支护阻力，MPa，取0.2；

α、β—Mises准则系数，分别取0.16、0.73.

计算得到x1=2.41 m.

通过以上计算可以得到弹性核理论中23110合理区段煤柱宽度L3应为18.99 m.

上述3种计算方法所得到的区段煤柱宽度结果不同，为了充分保证矿井开采的安全，区段煤柱的宽度应选取上述计算的最大值，即23110综放工作面区段煤柱应≥19.6 m，为了记录施工方便，确定区段煤柱宽度为20 m.

3 23110综放工作面合理区段煤柱数值模拟研究

3.1 建立模型

以斜沟煤矿23110工作面区段煤柱的宽度为研究对象，借鉴类似综放工作面区段煤柱留设的数值模拟研究，在23110、23112综放工作面具体参数的基础上，运用FLAC3D软件建立高80 m、长180 m、宽70 m的模型，见图3，并在其周围施加位移边界。研究上区段工作面回采时及下区段工作面回采时14 m、16 m、18 m、20 m、22 m和24 m区段煤柱内的应力分布情况，得到最优解，确定合理的宽度。

图3 区段煤柱宽度研究模型图

3.2 不同宽度煤柱内部应力分布情况分析

不同宽度煤柱在上区段综放工作面回采时的支承压力分布曲线见图4. 由图4可发现：不同宽度的煤柱在上区段综放工作面回采时所受峰值支承压力相差不大。区段煤柱宽度为14～18 m时，煤柱内部在上区段综放工作面回采时所承受的支承压力峰值基本相同，约为32.7 MPa；区段煤柱宽度为20～24 m时，煤柱内部承受约为32.8 MPa的最大支承压力。但是留设区段煤柱宽度≤18 m时，煤柱内发生应力集中的位置靠近下区段的回采巷道，增加了下区段回采巷道的支护及维护成本；煤柱宽度留设为20～24 m时，煤柱内发生应力集中的位置靠近上区段的采空区，下区段回采巷道一侧承受的支承压力较低，避免下区段回采巷道受上区段工作面的采动影响而增加维护成本。

图4 不同宽度煤柱在上区段回采时的支承压力分布图

图5 不同宽度煤柱在下区段回采时的支承压力分布图

不同宽度煤柱在下区段综放工作面回采时的支承压力分布曲线见图5. 由图5可发现：上区段回采结束下区段工作面回采过程中，应力集中现象更为剧烈，但煤柱内部支承压力峰值随煤柱宽度的增加而减小。区段煤柱宽度为20 m、22 m、24 m时平均最大支承压力为54.5 MPa，较煤柱宽度为14 m、16 m、18 m时平均最大支承压力下降35%. 并且区段煤柱宽度为14 m和16 m时，煤柱中部承受较高的支承压力，其曲线呈“单峰型”；当区段煤柱宽度为20～24 m时，煤柱中部没有高强度的应力集中，存在一定宽度的弹性核，其支承压力曲线呈“马鞍型”；22 m、24 m宽的区段煤柱下煤柱所受支承压力并没有大幅减小，煤柱中央弹性核的宽度没有明显增加。故确定斜沟煤矿23110综放工作面应留设20 m的区段煤柱。

3.3 20 m区段煤柱应用效果分析

23110综放工作面与23112工作面之间留设20 m宽的区段煤柱，待上区段回采结束垮落稳定后，于23110工作面的回风顺槽内煤柱一侧布置一组钻孔应力计测点，煤柱内部2～18 m深度上每递增2 m布置一个钻孔应力计，共9个。23110综放工作面回采至距测点15 m和5 m时区段煤柱内支承压力分布曲线图见图6.

图6 23110综放工作面回采过程中20 m煤柱内部支承压力分布曲线图

由图6可知，23110综放工作面回采至距测点15 m和5 m时，煤柱内侧向支承压力峰值分别为17 MPa和49 MPa，即距工作面越近煤柱所受支承压力越高；但是测点距工作面不同距离时煤柱内部发生应力集中的位置基本相同，图6中煤柱距工作面15 m和5 m时煤柱内部存在11.6 m和10 m宽的弹性核，宽度大于2倍煤层采高9.2 m，故20 m宽煤柱可以保证23110综放工作面的安全回采。

4 结 论

以斜沟煤矿23110综放工作面留设区段煤柱为背景，通过经验估算法、载荷估算法和弹性核理论计算并辅以数值模拟软件验证等多种手段确定了合理的区段煤柱宽度为20 m. 23110综放工作面回采过程中煤柱内布置的钻孔应力计测点监测结果显示，回采过程中煤柱内支承压力曲线呈现“马鞍型”，且煤柱中部存在宽度大于2倍采高的弹性核，可以保证23110综放工作面的安全回采。