分层开采停采煤柱承载特性与宽度设计研究

马宏飞，段洋洋，靳毅军，王学敏

(1.沁和能源集团有限公司，山西 晋城市 048205；2.慈林山煤业公司慈山煤矿，山西 长治市 046600)

0 引言

煤矿大巷两翼分布有工作面时，留设宽煤柱是维护巷道围岩稳定性的关键[1]，需要综合考虑煤层埋深、采厚、岩性、开采方法等多个因素[2−3]。当厚煤层工作面采用分层开采时，停采煤柱先后经历两次采动影响，相比综采工作面，其内部煤体的应力分布和承载状态更加复杂。

陆卫东等[4]对厚煤层分层开采的可行性进行了研究，得出煤层支承应力分布可分为原岩应力区、应力集中区、卸压区以及应力恢复区4 部分，下分层煤体应力随上分层界限远近呈现线性递增关系；李国志等[5]研究了分层开采中的煤柱承载问题，认为其内部煤体受多次采动影响后，承载能力会呈现阶段降低的现象，煤帮区域易出现锚固区损伤导致的巷道围岩大变形；唐启胜等[6]通过数值模拟得出停采煤柱内部出现应力集中区，随着煤体与停采线距离的增大，围岩的整体位移量和变形量逐渐减小，基于现场测试验证了80 m 煤柱宽度的合理性；张科学[7]采用理论计算、数值模拟等，分析了采动应力的钝角三角形、锐角三角形、梯形分布规律，确定了最优煤柱宽度；薛琦[8]通过大巷双侧采动下的变形破坏特征与应力分布位置，确定出合理停采线位置。刘林[9]以同忻煤矿三盘区回风大巷保护煤柱留设为例，认为煤柱宽度取得合理值时，其承载能力要大于采动平均应力，在两翼分布有工作面时，采动应力对煤柱和大巷围岩稳定起到显著影响。申海军[9]提出煤层厚度越大，支承应力影响范围越大，应在保证煤层大巷长期稳定的前提下确定合理停采煤柱宽度。

本文以晋城端氏煤矿为工程背景，对工作面分层开采下的停采煤柱承载特性进行具体研究。

1 工程概况

端氏煤矿煤层埋深300 m 左右，采用长壁分层开采，采用3 条大巷布置（回风大巷、胶带大巷、轨道大巷），南翼布置有分层开采工作面，煤层厚度5.1 m，开采区域构造简单。

煤层顶底板以砂岩和泥岩为主，上方顶板包括6.0 m 泥岩和2.1 m 细砂岩，底板以2.0 m 粉砂岩和6.1 m 泥岩为主，夹杂少量砂质泥岩。

开采煤体为裂隙发育脆性岩体，在煤柱留设区域多有片帮现象，承载状态不稳定，轨道大巷曾因停采煤柱留设不合理导致局部围岩大变形问题。

图1 大巷及南翼工作面开采

2 分层开采停采煤柱承载特性分析

2.1 模型建立

采用数值模拟软件FLAC3D分析端氏煤矿轨道大巷南翼分层开采工作面的停采煤柱承载特性。

将工作面煤岩体物理力学参数代入FLAC3D进行计算，计算分为4 个步骤：地应力平衡-大巷开挖-上分层煤层开采-下分层煤层开采。模型表面施加5.95 MPa 垂直应力，模型考虑到边界效应影响，在轨道大巷煤柱区域和工作面区域的宽度各自设置为40 m、150 m，模型大小为194.5 m×50 m×100 m（长×宽×高）。

2.2 分层开采采动应力分布

南翼工作面开采分为上下两部分，上分层开采与普通综采工作面矿压规律一致。下分层开采则受到已开采工作面的影响，采动应力分布规律出现变化，超前应力分布处于动态变化中，上下分层分别开采之后，其停采煤柱的应力分布情况如图2 所示。

图2 上下分层开采后的超前采动应力分布云图

图2（a）显示在煤层的上分层工作面开采后，前方超前应力分布呈现先升高后降低的趋势。在下分层开采至距离停采线15 m（如图2（b）所示），原来的应力环境发生改变，围岩中的应力峰值增大、峰值应力位置向前移动2.6 m。下分层工作面开采导致煤体应力发生动态改变，峰值应力点向前移动、原峰值应力点位置的垂直应力降低，这表明停采围岩的内部承载受下分层开采影响出现弱化。总体来说煤柱内的应力分布值小于上方岩层，但两者规律保持一致。

2.3 停采煤柱承载特性分析

取煤层中上部为应力测线，分别提取停采线前5 m 至后50 m 的垂直应力值，形成如图3 所示的煤柱内垂直应力在推进方向上的分布曲线。

图3 下分层工作面开采至不同位置的垂直应力分布曲线

与图2 的应力分布云图类似，在工作面前方的煤柱内部，其峰值应力随着与停采线距离的增加先升高后降低。以下分层工作面开采到停采线15 m 为例（图中红色曲线），煤柱内的垂直应力先是逐渐升高，在11.6 m 处达到最大值21.8 MPa，随后逐渐下降到原岩应力状态，在48.2 m 处达到7.4 MPa。对比图2（b）和图3，在下分层工作面开采至同一位置时，煤柱内和上方岩层的峰值垂直应力分别为23.2 MPa 和27.2 MPa，这是由于上覆顶板的下沉挤压和煤体自身强度较低导致，因此分层工作面的停采煤柱承载更容易受开采影响出现弱化现象。

下分层工作面自停采线前30 m 逐步开采至停采线处的过程中，煤柱内的垂直应力峰值逐渐升高（从18.1 MPa 达到23.4 MPa）、应力峰值逐渐向深部转移（从停采线后9.7 m 到11.8 m），这说明当下分层开采后，煤柱内部的承载发生动态变化。随着工作面临近停采线，停采煤柱需要更大面积的承载范围。峰值应力前的内部为塑性承载和峰后残余强度承载，煤柱总体承载力随开采范围增大而逐步下降。同时，下分层工作面越接近停采线，前方煤柱范围内的超前采动应力越大，影响范围由38.4 m 增大到49.6 m，这意味着南翼分层开采工作面需要留设更大宽度的停采煤柱，来保证超前采动应力下轨道大苍围岩的长期稳定。

3 停采煤柱宽度设计

当煤柱处于超前采动应力影响范围之内时，大巷的煤柱侧巷帮受高应力作用更加难以维护，容易出现片帮、煤体破坏、支护体损伤等问题。因此，停采煤柱宽度合理取值范围应大于煤层所有分层工作面开采结束后的超前采动应力影响范围。由图3 可知，下分层工作面开采后的影响范围为50 m 左右，考虑到大巷开挖后会存在支承应力，应额外增加一定宽度。最终，确定停采煤柱宽度为60 m。

在现场进行煤柱宽度工业试验，南翼上下分层工作面回采至轨道大巷前65 m（包括60 m 停采煤柱及5 m 回撤通道宽度）时开始撤移设备。自南翼工作面开采结束后，轨道大巷服务期间无大变形和巷帮失稳现象，围岩总体稳定、支护体保持完整。现场应用证明，基于煤柱承载特性的留设宽度设计合理。

4 结论

本文以端氏煤矿南翼分层工作面为研究背景，研究了上、下分层工作面开采后的超前采动应力分布规律，垂直应力总体呈现先升高后降低至原岩应力的趋势；基于数值模拟结果，得出下分层工作面开采会导致煤柱内的峰值应力增加、峰值点向深部转移，煤柱承载力弱化、承载面积增大；基于停采煤柱内部的承载特性和应力分布，最终确定留设宽度为60 m，现场应用表明轨道大巷无明显变形，宽度设计满足要求。