特厚煤层综放工作面防冲煤柱宽度优化

张拴才，孙振于，张玉亮，苏仁元，巩思园

(1.华能庆阳煤电有限责任公司 核桃峪煤矿，甘肃 庆阳 745000；2.徐州弘毅科技发展有限公司，江苏 徐州 221000；3.华亭煤业集团有限责任公司 华亭煤矿，甘肃 华亭 744100；4.中国矿业大学 矿业工程学院 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

留设煤柱保护采准巷道是我国煤矿采取的主要护巷方法[1]。在冲击地压矿井中，煤柱宽度能直接影响矿井冲击地压显现。合理确定煤柱宽度，一直是众多学者关注的焦点[2]。近年来，众多学者及技术人员对区段煤柱宽度的确定及其矿压显现规律进行了研究[3-5]。但关于区段煤柱宽度对冲击地压的影响方面的研究仍然较少。武泉林等[6]利用数值模拟研究了预留70m防冲煤柱对高位巨厚岩层下开采动力灾害的防治效果，结果表明留设70m防冲煤柱时，上覆巨厚关键层可保持稳定，避免了巨厚关键层大范围破断运移对工作面造成冲击；谢广祥等[7，8]通过理论分析、数值模拟、现场实测等方法，得出了综放面保护煤柱倾向支承压力的分布规律；易恩兵等[9]利用FLAC4.0数值模拟软件模拟了不同宽度煤柱条件下，工作面围岩的应力分布变化规律，得出某矿孤岛工作面合理的煤柱宽度为5m；李佃平等[10]基于煤柱弹塑性模型，提出了两种防冲煤柱设计方法，从防治冲击地压角度利用力学计算方法分别计算屈服煤柱及承载煤柱宽度，得出防冲煤柱合理宽度的理论计算方法。

对华亭煤矿250102工作面冲击地压情况进行分析，对适用于华亭煤矿2501采区工作面合理煤柱宽度进行模拟计算，并将煤柱宽度优化后的250104工作面与250102工作面矿震活动及冲击地压显现情况进行对比，实践结果为华亭煤矿2501采区后续工作面煤柱宽度设计及其他地质条件类似矿井的冲击地压防治提供参考依据。

1 工程概况

华亭煤矿250102工作面为华亭煤矿二水平2501采区的第二个工作面。工作面走向长度约2000m，倾向宽度200m，开采深度约720m，工作面所采5#煤层具有强冲击倾向性(动态破坏时间为2640ms、弹性能指数为10.11、冲击能指数为6.67、单轴抗压强度为13.72MPa)，煤层具有自燃倾向性，瓦斯含量较低，鉴定为低瓦斯，煤层倾角5°～8°，平均厚度34m。煤层伪顶为砂质泥岩，老顶以粉砂岩为主，次为各种粒径的砂岩，夹有泥岩、粉砂质泥岩，伪底为砂质泥岩，老底岩性主要为砂岩，次为粉砂岩，煤层及顶底板柱状如图1所示。工作面东侧即运输巷侧与250101工作面采空区之间留有20m区段煤柱，工作面北侧和西侧为实体煤，南侧为采区大巷，工作面布置如图2所示。2501采区采用走向长壁倾斜分层综采低位放顶煤采煤法，250102工作面为首分层工作面，平均分层厚度为12m，其中采煤机采高为3m，放顶煤高度9m，采放比为1∶3。

图1 5#煤层及顶底板柱状

图2 2501采区工作面布置

2 工作面冲击地压显现特征分析

2.1 宽煤柱下工作面矿震监测分析

250102工作面从240m回采至520m矿震能量频次统计见表1，震源分布如图3所示。通过震源投影发现，矿震能量在104～105J范围时，震源分布开始具有明显的集中性，主要集中在250102工作面20m煤柱侧。矿震能量达到105J以上，矿震震源几乎全部集中在20m煤柱的周围。以大震动的分布情况推断，20m煤柱区域存在着明显高于其他区域的应力集中，所以20m煤柱区域相比其他区域具有更高的冲击危险性。

表1 250102工作面震源能量频次统计表

图3 250102工作面104 J能量以上震源分布

2.2 宽煤柱冲击地压显现特征分析

250102工作面回采过程中，对回采影响较大的冲击地压现象共发生了39次，其中有34次发生在20m煤柱侧，这与大能量矿震震源分布特征较为吻合，部分冲击地压显现记录见表2。通过总结250102工作面开采以来冲击地压的显现特征可以发现：冲击地压多发生在20m煤柱侧的工作面运输巷内，且巷道变形严重，又以底鼓明显大于顶板和两帮的变形，底鼓量100～1800mm，造成支护设施、机电设备损坏，甚至导致2人死亡，多人受伤，由此可知250102工作面冲击地压现象具有明显的煤柱型冲击地压特征。

表2 250102工作面部分冲击地压显现记录

综上所述，在250102工作面的目前开采条件下，20m煤柱内存在着极易诱发冲击地压的应力条件，需对2501采区后续工作面区段煤柱宽度进行优化设计，避免此类情况的发生。

3 煤柱合理宽度确定

我国部分煤矿区段煤柱的留设依旧依靠经验，缺乏科学依据，不仅造成了煤炭资源的浪费而且在冲击地压矿井中更直接导致了冲击地压事故的频发，使巷道难以维护甚至造成机电设备损坏，人员伤亡。所以合理的煤柱宽度设计不仅要能保证巷道内支护质量和人员设备安全，在具有冲击危险的矿井，还要能够降低工作面冲击危险程度[11]。研究表明：作用在煤柱高冲击危险区煤岩体上的强剪切力使煤柱失稳破坏诱发冲击地压，煤柱中的高应力集中区的存在是诱发煤柱冲击地压的根本原因。因此，治理煤柱型冲击地压的方法应该着眼于消除煤柱中的高应力集中区[12]。从防冲的角度考虑，区段煤柱越窄对防冲越有利，因为窄煤柱中的煤体几乎全部被“压酥”，其内部不存在弹性核，也就消除了应力集中区。但煤柱宽度不能随意留设，煤柱太小易坍塌破坏，起不到保护巷道的作用，煤柱太宽，煤体中会出现高应力集中区，增大冲击危险。特厚煤层综放工作面区段煤柱宽度确定方法主要有现场实测法、数值模拟法及理论计算法等[13-15]。现场实测主要通过现场观测来掌握煤柱和巷道状态，难以同时实现不同煤柱宽度条件下的实测，具有明显的局限性；数值模拟法可同时模拟各种生产、地质条件下不同煤柱宽度的受力和变形情况，虽计算机模拟也对部分复杂条件进行了简化，但相比于其他方法具有一定的优越性；理论计算法是通过建立、求解计算模型来确定煤柱宽度，但计算模型往往被大量简化，忽略了很多因素，其可靠性无法保证。所以主要采用数值模拟的方法来确定2501采区工作面的合理煤柱宽度，并应用理论计算对数值模拟结果进一步确定。

3.1 数值模拟确定合理煤柱宽度

采用FLAC3D数值模拟软件根据2501采区的实际开采条件及实验室煤岩样的物理力学参数测试结果，模拟在250102工作面目前的地质及开采技术条件下，不同煤柱宽度条件下工作面在回采过程中工作面超前50m位置的煤柱与工作面内垂直应力分布状态。图4为工作面不同煤柱宽度条件下超前50m位置垂直应力在ZZ方向的切片、图5为各切片巷道中部沿X轴方向的垂直应力分布曲线，具体分析结果如下。

图4 工作面超前50m位置垂直应力分布特征

图5 工作面超前50m位置垂直应力分布曲线

由图4、图5分析可知：

1)当煤柱宽度为5m时，煤柱中的垂直应力集中系数最低，为1.14，且图4(a)中工作面煤体高应力区域范围明显比图4(c)～(h)大，由此可推断煤柱已完全进入屈服阶段，当煤柱进入屈服阶段后会将多余载荷传递到工作面实体煤中，所以此时冲击危险较低。

2)当煤柱宽度达到15m时，煤柱中就开始产生明显的应力集中，应力集中系数为3.02，而达到20m时，应力集中系数达到最高为3.40，煤柱中高应力区域范围也较大且距离巷道较近，此时冲击危险程度达到最大，这也再次揭示了250102工作面20m煤柱存在危险的原因。

3)当煤柱宽度达到25m以上时，煤柱中的垂直应力峰值反而在不断降低且应力曲线上出现了两个峰值，由此可判断此时煤柱由小煤柱时的屈服阶段开始进入到了大煤柱的承载阶段，且煤柱中靠巷道的高应力区域范围明显小于靠采空区侧的，说明随着煤柱宽度不断加大，煤柱中的垂直应力峰值区域在不断向采空区侧煤体中转移，冲击危险程度在不断降低。

4)当煤柱宽度为25～40m时，曲线上的最大应力集中系数分别为3.16、3.00、2.88、2.76，虽随煤柱宽度增大冲击危险不断降低，但其应力集中系数仍然较高，说明仍存在一定程度的冲击危险。

5)由图5可知，工作面煤体中应力随煤柱宽度变化较小，从图4(a)中可以看出，当煤柱为5m时其应力峰值位置位于巷道左上方煤体中，相比于其他煤柱宽度时应力峰值位置距巷道较远，从而降低了巷道附近的冲击危险程度。

3.2 理论计算合理煤柱宽度

应用文献[7]中屈服煤柱宽度计算公式可计算出理论屈服煤柱宽度。

巷道帮部距煤柱极限强度发生处的距离为：

采空区帮部距煤柱极限强度发生处的距离为：

式中，M为采高或回采巷道高度，m；μ为泊松比；β为屈服区与核区界面处的侧压系数，β=μ/(1-μ)；C0为煤体内粘聚力，MPa；φ0为煤体内摩擦角，(°)；γ0为煤体平均容重，kN/m3；σyl为煤柱的极限程度，MPa；P为冒落岩石、支护设施等对煤柱的侧向约束力，MPa。

根据250102工作面实际情况及实验室数据确定上述公式各参量取值。工作面回采巷道高度为3.4m；所采煤层测得的泊松比为0.37；内摩擦角为27°；内粘聚力为6MPa；平均容重为14.5kN/m3；锚杆、锚索、支架等支护设施对煤柱的侧向约束力P1取0.25MPa、采空区冒落矸石对煤柱的侧向约束力P2取0MPa。煤柱极限强度σyl可根据莫尔应力圆的极限力学平衡状态及煤柱应力关系进行理论计算[10]：

式中，[σ]为煤体单轴抗压强度，MPa。

煤体单轴抗压强度13.72MPa，将数据代入可得σyl=56.12MPa。根据屈服煤柱计算公式将上述数值代入公式可得X1=2.32m，X2=2.38m。考虑到工作面回采过程中的动压扰动，应力峰值会向煤体深部转移，还需考虑一定的安全系数k，取1.2，则理论上屈服煤柱宽度应为：W=k(X1+X2)=5.64m。

综上所述，数值模拟和理论计算得出适合2501采区的工作面区段煤柱宽度为5～6m。

4 优化效果检验

华亭煤矿2501采区后续工作面均采用6m保护煤柱，将250102工作面与煤柱优化后的250104工作面进行对比，检验优化效果。250104工作面运输巷高为3400mm，宽为4500mm，巷道帮部和顶部锚杆采用∅22mm×2800mm均让压锚杆支护，最大让压距离30mm，让压点15～17t，锚杆间排距均为750mm×800mm；顶部锚索采用∅22mm×6500mm锚索，排距1000mm×800mm；巷道帮部和顶板采用“W”型钢带、菱形金属网护帮顶。工作面超前27m范围内采用ZH12000/24/36巷道支架支护，超前27～120m采用DFB-4.2mπ型钢梁配合DW35-300/110X型单体液压支柱架设“一梁三柱”抬棚支护，抬棚排距为0.7m。根据观测，工作面正常回采时小煤柱稳定性较好，若煤柱片帮较为严重或出现裂缝，则注射瑞克(高分子材料)以保持煤柱稳定。工作面正常回采时煤层自然发火不明显，工作面回采进入末期时，向采空区注氮和阻燃剂以预防采空区自然发火。由于瓦斯含量不高，瓦斯防治采用风排瓦斯为主，上隅角埋管抽放采空区瓦斯、上隅角气室抽放瓦斯为辅的瓦斯防治方法。

250104工作面回采240m至520m矿震统计见表3，分布情况如图6所示。

表3 250104工作面震源能量频次统计表

图6 250104工作面104J能量以上震源分布图

由表1与表3对比可知，104J能量以下的矿震事件明显增加，尤其是102J以下的能量的矿震事件增加了十几倍，而104～5×105J能量的矿震变化不大，但5×105J能量以上的矿震由7次减少到了2次，变化明显。

由图3和图6对比可知，煤柱优化后矿震集中程度明显降低，大能量矿震震源分布较为均匀，没有在煤柱侧集中。由此可以推断，250104工作面改为小煤柱后，煤柱侧应力集中程度明显降低。

250102、250104工作面回采期间冲击地压显现情况对比见表4，250104工作面煤柱优化后与250102工作面对比冲击地压显现次数由39次下降至28次，巷道破坏长度由1248m下降为740m，而且杜绝了人身伤亡情况，优化效果较好。

表4 250102、250104回采期间冲击地压显现情况对比表

5 结 论

1)对250102工作面微震监测数据进行了分析，发现104J能量以上的矿震震源明显集中在工作面20m煤柱侧，20m煤柱侧具有更高的冲击危险。

2)对冲击地压显现特征进行了分析，得出250102工作面冲击地压类型为煤柱型。

3)采用数值模拟和理论计算方法得出适用于2501采区的防冲煤柱宽度为5～6m。

4)华亭煤矿2501采区后续工作面均采用6m煤柱，经实践验证，该宽度的区段煤柱对华亭煤矿冲击地压防治效果较好，对2501采区后续工作面及其他地质条件类似矿井区段煤柱的留设具有很好的指导意义。