庞庞塔煤矿倾斜特厚煤层区段煤柱合理尺寸研究

刘剑虹

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

0 引 言

随着煤矿综合机械化开采水平的不断提升，越来越多的厚煤层开始采用综合机械化放顶煤开采技术进行开采。由于综放开采技术的煤炭资源回收率较低，因此区段煤柱的选取应尽可能避免过宽[1]。区段煤柱不仅可以有效隔绝采空区，还起到保护下区段工作面巷道稳定性的作用，对于煤矿的安全生产及经济效益影响较大。若区段煤柱过窄，虽然煤炭资源的回收率大幅度提高，但过窄煤柱的稳定性及承载能力较差，容易失稳导致巷道破坏及采空区有害气体溢出；而过宽的煤柱会使煤炭资源浪费严重，且巷道所处的应力环境较差[2-4]。为此，众多学者对合理煤柱宽度的选取进行了深入研究，谢广祥等[5]以综放沿空留巷开采为研究背景，指出在一般厚度煤层进行综放开采时，窄小的煤柱可以有效保证巷道的稳定性。刘金海[6]等通过理论计算、数值模拟及现场实测相结合的方法，分析了深井综放开采不同煤柱宽度的护巷效果，得出合理的煤柱宽度为5.0～7.2 m。刘增辉等[7]通过研究表明，合理煤柱宽度的选取依据为使巷道避开侧向支承应力峰值的范围。综上可知，合理的煤柱宽度应同时具备保证巷道稳定性及提高煤炭资源回收率的作用。本文以庞庞塔煤矿9-301 综放工作面为工程背景，通过现场实测及数值模拟等方法，对合理煤柱宽度的选取进行研究。

1 工程概况

庞庞塔煤矿现主要开采煤层为5 号和9 号煤，其中9 号煤层赋予太原组中下部，上距5 号煤层40.90～56.15 m，平均50.63 m，煤层赋存稳定，结构复杂，含一至二层夹矸，平均煤厚为11.8 m，属特厚煤层，煤层倾角为12°～36°，平均24°，为缓倾斜煤层。采用综采放顶煤的方法进行开采，机采高度3.2 m，放煤厚度8.6 m，一采一放，采用单轮顺序放煤方式，采放比1∶2.69。

9-301 工作面对应地表范围内北部为我矿煤场及保安煤柱，中部为104 省道连接的庞庞塔沟内公路、庞庞塔沟内季节性河流，且庞庞塔村内公路北面部分陡坎较陡，东部为现回采的9-700 工作面对应地表。9-301 工作面井下位于三采区，工作面北部为西区暗斜井系统，南部为井田边界，西部为正在施工的9-103 工作面，东部为9-700 工作面，上部为5 号煤5上-108、5-101 采空区。该工作面呈一单斜构造，倾向为东西向，走向为南北向，工作面长度为202 m，含炭质泥岩伪顶，平均厚度为0.1～1 m；直接顶为泥质灰岩，平均厚度5～7 m；老顶为砂质泥岩，平均厚度6～9 m；直接底为泥岩，平均厚度1～2 m；老底为细粒砂岩，平均厚度1～3 m。煤层顶底板具体岩性情况见表1。

表1 煤层顶底板结构

目前该矿区段煤柱的留设宽度为40 m 左右，仅是凭经验进行设计，并无合理科学依据。为了在保证矿井安全高效回采的前提下，尽可能的提高煤炭资源回收率，需对区段煤柱的留设尺寸进行优化研究。

2 现场实测分析

2.1 实测方案

通过钻孔应力测试及窥视，对工作面回采前后的煤柱内部应力及破坏情况进行分析，为后续的数值模拟提供依据。在9-301 轨道巷距工作面50 m 及70 m 处布置2 组应力观测孔，钻孔均布设在煤柱体内，每组6 个钻孔，共计12 个。超前工作面50 m 的6 个钻孔为第1 组，编号为1-6 号；70 m 处为第2组，编号为7-12 号，每组钻孔沿水平布置，孔口距巷道底板1.7 m，第1 个钻孔深度为3 m，往后以此3 m递增，最后1 个钻孔深度为18 m，钻孔直径35 mm，孔间距为2 m。窥视孔布置在距工作面50 m 处的煤柱内，孔口位于应力观测孔下方，距巷道底板1.2 m，钻孔直径40 mm，孔深均为18 m，孔间距5 m。观测方案的钻孔布置平面、剖面如图1 所示。

图1 观测站钻孔布置图

2.2 沿推进方向煤柱应力分布规律

第1 组测站中的初始应力，最小值位于3 m 孔深处，其余位置的应力值变化不大，位于3.8～5.3 MPa 之间。随着工作面的回采，3 m 孔深出的应力值逐渐增大，峰值为4.7 MPa，当工作面推进至距测站15 m 处时，应力值开始减小，表明此时煤柱遭到破坏，应力逐渐转移至煤柱深部。而孔深6 m 及9 m 处的煤体应力增值较大，最大值为10.8 MPa，此时工作面推进至距测站10 m 处，随后逐渐减小。15～18 m孔深处的应力也随着工作面的推进逐渐增加，但增幅不明显，其变化曲线如图2 所示。

图2 第1 组测站应力变化曲线

第2 组测站在工作面推进至第1 组测站时开始观测，其应力变化曲线见图3。其中3 m 孔深处的最大应力值为5.7 MPa，此时测站距工作面10～15 m，而当工作面推进距测站5 m 处时，应力大幅度降低，表明此时煤柱内侧3 m 范围内的煤体已进入屈服状态，失去了足够的承载能力，使得压力向深部煤体转移。钻孔6 m 深度之后的应力值都呈现为先增加后减小的变化规律，基本都在测站距工作面10 m 处时开始降低。综合2 组钻孔应力观测结果可知，工作面采动超前支承压力峰值位于距工作面10 m 左右的范围内，煤柱内3～6 m 范围的煤体破坏较严重。

图3 第2 组测站应力变化曲线

2.3 沿煤柱内侧应力分布规律

根据煤柱应力沿工作面推进方向的变化规律，在距工作面3、10、50 m 处时，沿煤柱侧向分析煤柱内部的应力变化规律，其变化曲线见4 图。不同距离下应力沿煤柱宽度方向的分布形状基本都呈马鞍型，工作面推进至距测站50 m 处时，各测点的应力值基本都保持在4.4 MPa，为原岩应力；推进至距测站10 m 处时，各测点的应力值最大，工作面推进至3 m 处时，煤体破坏卸压。测站距工作面10 m 处时，煤柱内侧距煤壁0～3 m 的范围内应力低于原岩应力，表明该区域煤体已破碎；距煤壁3～6 m 范围的煤体应力逐渐增大，最大值为9.7 MPa，为裂隙发育区；6～18 m 范围内的应力逐渐降低至5.9 MPa，为弹性核区。根据应力观测结果可知，煤柱内存在弹性核区，其宽度大致为26m 左右，资源浪费较严重。

图4 煤体侧向支承压力分布曲线

2.4 煤柱变形破坏分析

在煤柱内布置窥视孔，对其内部的裂隙发育特征进行分析，窥视结果如图5、图6 所示。A1 窥视孔距孔口1.1 m 处有较多的横向裂隙发育，2.2 m 之后围岩完整性逐渐提高；A2 窥视孔内的纵向裂隙发育较少，多为横向裂隙；A3 窥视孔内的纵向裂隙较多，距孔口0.8 m 处出现围岩膨胀变形的现象；B1 窥视孔的纵向裂隙主要分布在1.4～1.7 m 深度内，距孔口0.5 m 处围岩膨胀变形；B2 窥视孔内的纵向裂隙发育明显，深度在0.8～1.2 m 范围的围岩变形量较大；B3 窥视孔内的裂隙主要集中在0.6～1.1 m 的范围内。

图5 A 点窥视结果

图6 B 点窥视结果

通过3 个窥视钻孔观测得出，煤柱3 m 内的裂隙较为发育，6 m 之后基本为原生裂隙，发育不明显，孔口向里1.8 m 范围内的煤体变形破坏程度较高，由于巷道为全煤巷，且断面较大，在采动支承压力的作用下，靠近巷帮的煤体产生较多纵向裂隙，发育程度高。在煤柱内6～18 m 深处，煤体较为完整，存在有少量的横向裂隙，但发育程度较低，为煤柱内的弹性核区。

3 煤柱尺寸的数值模拟分析

3.1 模型建立

根据上述分析，目前留设的区段煤柱宽度较宽，需对其尺寸进行优化，依据现场实际工程地质条件，通过FLAC3D模拟软件建立数值计算模型，模拟分析煤柱宽度分别为20、25、35、40 m 的条件下，工作面回采后煤柱内部的应力分布情况。模型尺寸为：长×宽×高= 500 m×400 m×300 m，模拟中煤岩体的物理力学参数见表1，本构关系采用摩尔库伦准则。

3.2 模拟结果分析

当煤柱宽度为20 m，工作面回采后应力重新分布，两侧采空区的侧向支承应力峰值完全重叠，使得煤柱失去了承载能力，塑性破坏较严重。从支承应力分布图上可以看出，由于煤柱发生破坏失稳，承载的应力较低且呈均匀分布，2 个采空区的塑性破坏区贯通，导致煤柱无法保护下区段的正常安全回采，因此该宽度的区段煤柱不可取。煤柱宽度达到25 m后，煤柱内部出现了一定范围的弹性核区，但面积不大，巷帮支护锚杆的锚固端不稳定，不利于巷道维护。随着煤柱宽度的继续增大，煤柱中部的弹性核区范围也逐渐扩大，当煤柱宽度增加到35 m 时，煤柱内侧整体的应力呈马鞍形分布，表面此时煤柱的稳定性好，承载能力强。煤柱宽度在35～40 m 时，煤柱的弹性核区进一步增大，巷道围岩稳定，但宽度较大，造成了资源浪费。不同煤柱下的支撑压力分布如图7 所示。

表1 煤岩物理力学参数测定结果

图7 不同煤柱尺寸下的支承压力分布

由以上分析可知煤柱宽度为25～35 m 时可以满足工作面安全生产需求，为了进一步优化煤柱宽度，取其中间值30 m 进行模拟分析，煤柱内部的应力近似呈马鞍形分布，稳定性好，煤柱靠近上区段采空区侧的塑性区宽度约为7 m，靠近本工作面侧煤柱的塑性区宽度约为5 m，且巷道围岩稳定性好，满足矿井的安全高效生产。

4 工程实践分析

4.1 巷道支护方式

根据数值模拟结果，庞庞塔煤矿9 号煤层工作面间区段煤柱的合理宽度为30 m，根据倾斜煤层煤柱及巷道围岩应力分布特征，对巷道支护进行设计。留设30 m 煤柱后掘进9-3011 巷，该巷为9-301 工作面的正巷，主要用途是进出设备材料、通风和行人，设计为矩形断面，巷道毛宽5.2 m，净宽5.0 m，巷中毛高3.6 m，净高3.5 m。采用锚网梁+单体锚索支护，顶部选用φ22 mm×2 500 mm 左旋螺纹钢高强锚杆，帮部选用φ20 mm ×2 000 mm 左旋螺纹钢高强锚杆，锚杆间距800 mm、排距800 mm；顶部每2.4 m 布置1 组φ21.8 mm×12.3 m 锚索，1 组3 根，每组锚索间距为1 500 mm。

4.2 区段煤柱护巷效果分析

为验证30 m 煤柱的护巷效果，在9-3011 巷布置测站，采用多点位移计对相邻工作面回采过程中本巷道围岩的变形情况进行为期48 d 的监测分析。监测结果如图8 所示。

图8 围岩位移监测曲线

由图8 可知，受侧向支承应力及煤层倾角的影响，巷道的变形主要集中于底板，其次为顶板，其中底板最大变形量为210 mm，顶板最大变形量为82 mm，煤柱侧巷帮（上帮）的最大变形量为52 mm，围岩整体变形量小，满足工作面正常生产需求。

5 结 论

1）根据现场钻孔应力实测得出，随着工作面的回采，煤柱内的应力呈先增大后减小的趋势，其应力峰值位于距工作面10 m 左右的范围内。此时煤柱内侧距煤壁表面0～3 m 为破碎区，向内侧应力增高，最大值为9.7 MPa，距煤壁6 m，煤柱内存在26 m 左右的弹性核区。

2）通过数值模拟得出，煤柱宽度达到25 m 时，煤柱内出现弹性核区，但范围小不利于巷道维护；煤柱宽度为25～35 m 时可满足工作面正常生产，为减少煤炭资源浪费，合理的区段煤柱宽度应取30 m。

3）根据数值模拟结果，工作面间留设30 m 宽度煤柱后，对9-3011 巷的支护进行了设计，现场应用结果表明，底板最大变形量为210 mm，顶板最大变形量为82 mm，煤柱侧巷帮（上帮）的最大变形量为52 mm，围岩整体变形量小，满足工作面正常生产需求。