寺家庄煤矿大采高工作面区段煤柱留设宽度研究与应用

席冰冰

（华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000）

1 工程概况

山西阳煤寺家庄煤业有限公司现阶段主采15#煤层，15#煤层位于石炭系上统太原组。15117 工作面上部及周边均为实体煤岩层，以北紧邻二盘区三条准备大巷，以南靠近矿井井田边界，以西为15115 工作面，以东为15119 工作面（规划）。地面标高+918～ +1068 m，埋深417～638 m，煤层厚度3.1～8.0 m，工作面倾斜长度200 m，煤层倾角4°～30°，煤层硬度2～3，煤层顶底板岩性特征详见表1。15#煤层一采区工作面回采巷道采用双巷掘进，本工作面运输顺槽与接替工作面回风顺槽同时掘进，区段保护煤柱18.5～20.0 m。15117 回风顺槽在邻近工作面采动影响下，表面变形严重，影响矿井的安全高效生产，因此需对合理区段煤柱进行研究，杜绝在15119 回风顺槽及后续工作面出现类似情形。

表1 煤层顶板情况表

2 回采巷道矿压显现特征

15#煤层回采巷道采用矩形断面，支护方式为锚网索梁联合支护。回风顺槽设计宽度4.2 m，高3.5 m，顶板采用Ф22 mm×2400 mm 左旋全螺纹钢锚杆，间排距1000 mm，帮锚杆规格为Ф20 mm×2200 mm，间排距1000 mm，每侧3 根。中部和上部锚杆垂直煤壁施工，下部1 根垂直煤帮与水平方向呈15°夹角施工。顶板及两帮锚杆均采用树脂加长锚固方式，顶板每排布置2 根锚索，间排距为2000 mm，长度6.3 m，采用三支树脂锚固剂端锚。

15117 回风顺槽在邻近的15115 工作面回采期间，超前工作面一定距离及邻近工作面后方，多处巷道表面明显变形，主要表现为顶板过度下沉，煤柱侧煤帮片帮严重，顶底板移近量最大达到1.89 m，两帮移近量最大达到0.97 m，巷道断面收缩量已严重超出其允许值，无法满足其生产需求。为掌握支护结构的受力情况及邻近工作回采动压对围岩稳定性的影响，在15117 回风顺槽锚杆端部安装应力传感器，得到顶板锚杆及煤柱帮锚杆受力变化规律如图1。由图1 可以看出，超前邻近工作面约40 m，顶板及煤柱帮锚杆载荷开始明显地增大，持续增大至滞后邻近工作面约60 m，顶板及两帮锚杆载荷均突然下降，且煤柱帮上部锚杆受力大于中部锚杆，靠近煤柱帮一侧的顶板锚杆受力大于实体煤帮一侧锚杆的受力，说明邻近工作面回采引起回风顺槽顶板向采空区侧下沉，顶板锚杆受力增大，煤柱帮上部锚杆受力增大。滞后邻近工作面约60 m 时，顶板锚杆及煤柱帮上部锚杆发生脱锚、失效，进一步加剧巷道表面的变形及围岩的失稳。

图1 回风顺槽锚杆受力图

3 区段煤柱合理尺寸模拟研究

15117 回风顺槽护巷煤柱宽度为18.5 m，根据15117 回风顺槽在邻近工作面采动影响下矿压显现规律可知，该煤柱宽度无法有效支承顶板的回转下沉，煤柱宽度不合理，故采用FLAC3D软件对合理区段煤柱进行模拟分析研究[1]。为使覆岩破断运动规律模拟简洁、真实可靠，所建立模型大小为500 m×180 m×300 m，即推进方向300 m，长度方向500 m，地层总厚180 m，上覆400 m 的岩层等效为上边界的载荷，以地质勘探储量核算报告中的岩层分布情况及岩层参数为依据，建立模拟分析所用模型。模型共分为1～26 层，自下而上第8 层为5.75 m 的15#煤层。模型底面为固定支撑，无y 方向（即水平方向）速度、位移，无x 方向速度、位移。模型的物理力学参数按照实验室测定结果给出，模拟区段煤柱宽度分别为20 m、25 m、30 m、35 m、40 m，模拟方案及模型如图2。

图2 数值模型及模拟方案

模拟时首先进行回采巷道及切眼的开挖，然后进行左侧工作面的回采，最后进行右侧工作面的回采。每次推进10 m，监测左侧工作面回采150 m 时，工作面前方20 m 处煤柱内垂直应力，整理得到不同宽度煤柱条件下一次采动影响下煤柱内应力变化规律如图3（a），其中“0”点代表回风顺槽的煤柱帮。右侧工作面回采期间，工作面回采150 m 时，截取工作面对应位置煤柱塑性破坏情况，得到二次采动影响下煤柱塑性破坏情况如图3（b）～（d）。

图3 数值模拟分析结果

由图3（a）可以看出，一次采动影响下，区段煤柱内出现应力集中现象，垂直应力呈“M”形分布[2-3]，靠近回采工作面一侧应力集中程度高于另一侧。煤柱内垂直应力随着煤柱宽度的减小呈增大趋势，煤柱宽度由40 m 减小为30 m，应力增幅较小，由30 m 继续减小为25 m、20 m，煤柱内应力集中程度显著增大。由此说明，煤柱宽度为30 m 以上时，对于顶板支承效果较好，煤柱宽度小于30 m 时，应力集中程度较高，巷道煤柱帮塑性破坏深度大，不利于巷道围岩的稳定。根据图3（b）～（d）可知，二次采动影响下，煤柱宽度为20 m、25 m 时，煤柱全部塑性破坏，基本丧失了对顶板岩层的支承能力，不利于巷道的稳定和工作面的安全生产；煤柱宽度为30 m 时，二次采动影响下，煤柱两侧出现一定深度的塑性破坏，但是煤柱内存在一定宽度的弹性核区[4]，仍具有良好的支承性能。综合考虑，建议寺家庄矿15#煤层回采工作面区段煤柱最佳宽度为30 m。

4 现场应用及效果分析

15117 运输顺槽与15119 回风顺槽采用双巷掘进，区段煤柱宽度30 m，巷道沿15#煤层底板掘进，巷道布置及顶底板岩层如图4。为考察区段煤柱的合理性，在15117 工作面回采期间，监测15119 回风顺槽矿压显现特征及锚索受力情况，整理得到结果如图5。

图4 15119 回风顺槽综合柱状图

由图5 可知，一次采动影响下，超前工作面约30 m 时，顶底板及两帮移近量增速开始加快，表明工作面超前支承压力影响范围约为30 m，直至邻近工作面推进至测点位置，顶底板相对移近量为114 mm，两帮相对移近量为86 mm，巷道表面变形量微小，不影响其使用功能；超前工作面约20 m 时顶板锚索受力开始明显地增大，靠近煤柱帮一侧的1#锚索受力大于另一侧的2#锚索，1#锚索受力最大值为193 kN，顶板锚索极限载荷为240 kN，锚索受力在其合理载荷范围内。综上可知，一次采动影响下，15119 回风顺槽表面变形量相对于15117 回风顺槽显著减小，留设30 m煤柱能够有效支撑顶板，保障巷道围岩稳定性，符合安全生产要求。

图5 矿压监测结果

5 结论

寺家庄煤矿15#煤层区段煤柱18～20 m，接替工作面回风顺槽在一次采动影响下，巷道表面变形破坏严重，锚杆、锚索出现脱锚、破断失效现象，严重影响矿井的安全高效生产。以15117 工作面生产地质条件为基础，数值模拟研究表明，区段煤柱宽度为30 m 时，煤柱内存在一定宽度的弹性核区，能够有效支承顶板岩层。现场工业应用期间，15119回风顺槽表面变形量微小，锚索受力在其合理载荷范围内，围岩整体稳定，说明30 m 的区段煤柱是安全可靠的。