台头矿2S202-1工作面合理留设煤柱宽度探讨

王鹏腾

（山西乡宁焦煤集团有限责任公司，山西 临汾 042100）

煤炭作为一种不可再生资源，其合理利用和高效开采对于矿井可持续发展十分重要。随着我国机械化开采技术的不断提升，煤层采高逐步增大，巷道支护面临的问题也在逐步增多，其中巷道矿压显现强烈是矿井面临的重要难题。区段煤柱是一种既能保护巷道同时能够有效隔绝有害气体及矿井水的支撑体，其存在可以有效保证巷道稳定性及开采的安全性。但区段煤柱尺寸留设过大会造成资源浪费，影响矿井回采率[1-2]；煤柱留设宽度较小时，此时巷道稳定性无法得到有效保证，使得巷道掘进过程中极易出现变形破坏。所以，合理的煤柱留设宽度对于巷道稳定性维护及高效开采有着重要意义[3-4]。此前众多学者对煤柱宽度的留设进行过研究，但考虑到不同矿井、不同地质环境下区段煤柱的留设宽度无法直接应用，所以针对台头矿2S202-1工作面为工程背景，利用数值模拟以及结合现场实践的方法，对煤柱留设合理宽度进行分析与探讨，以期为矿井高效安全开采提供经验借鉴。

1 工作面概况

2S202-1综采工作面顺槽长度332 m,埋藏深度189 m，所开采的2#煤层结构较简单，煤层厚度2.8～3.38 m，平均为3 m，煤层结构简单，含0-2层夹矸。煤层顶板主要为粉砂岩，局部为泥岩或砂质泥岩，煤层底板多为泥岩，局部为粉砂岩，煤层倾角平均为5°。煤层顶板底板岩性如表1所示。

表1 煤层顶底板情况

2#煤层煤质为焦煤，为Ⅱ级自燃煤层，经鉴定煤尘有爆炸性。此前，台头矿已有3个回采工作面区段煤柱留设宽度超过20 m，造成严重资源浪费，因此对煤柱合理留设宽度进行分析与探讨，对提高台头矿回采率有着重要意义。

2 数值模拟分析

利用数值模拟软件FLAC3D对合理煤柱宽度进行分析，根据实际地质情况建立长宽高为200 m×50 m×200 m的模型并设置模型物理参数，模型顶端距离地表140 m，计算可得覆岩施加均布荷载为3.5 MPa，固定模型左右两端及下部位移，分别对煤柱宽度12 m、16 m、20 m、25 m下的煤柱支撑应力进行分析，不同煤柱宽度下支撑压力曲线如图1所示。

图1 不同煤柱宽度下支撑压力曲线

如图1所示，当一侧工作面回采时，此时水平坐标轴的左侧代表回采工作面的采空区。可以看出当煤柱宽度为25 m时，此时区段煤柱在距离采空区2 m左右的位置出现支承压力峰值，支撑应力峰值分别为7.27 MPa，在此范围内的煤体进入塑性状态，在采空区范围内的塑性区宽度约为2 m。当煤柱宽度为20 m时，此时区段煤柱在距离采空区3 m左右的位置出现支承压力峰值，支撑应力峰值与煤柱宽度25 m时无较大差异，但此时采空区侧的塑性变形区宽度有所增大。当区段煤柱宽度降低至16 m时，此时的支承压力峰值点距离采空区侧3.5 m处，峰值约为7.28 MPa，在此范围内煤体处于塑性状态。当煤柱宽度为12 m时，此时应力峰值点距离采空区4 m左右，塑性区宽度最大。可以看出，随着煤柱宽度的增大，支撑峰值点距离采空区侧的距离逐步增大，煤柱的塑性区宽度同样增大。当煤柱宽度在16～25 m的范围内时，此时煤柱的弹性区宽度大于12 m，均大于2倍的采高，此时能够满足区段煤柱安全开采的要求。而当煤柱宽度为12 m时，此时弹性区宽度仅为8 m，低于2倍的采高，所以煤柱宽度并不合适。

对四种煤柱宽度下巷道围岩变形量进行分析，因篇幅所限仅展示煤柱宽度为16 m时巷道围岩变形云图如图2所示。

图2 煤柱宽度为16m时围岩变形云图

从不同煤柱下巷道围岩变形云图可知，当煤柱宽度大于等于16 m时，此时在采空区侧覆岩的垂直位移量均小于200 mm，而在右侧顺槽位置的覆岩垂直应力分布在60～100 mm范围内。而在煤柱宽度为12 m时，此时采空区侧覆岩的垂直位移量为350 mm，而在右侧顺槽位置的覆岩垂直应力分布在100～150 mm范围内。可以看出，随着煤柱宽度的增大，位于采空区的覆岩顶板变形量不断变大，而在顺槽位置的覆岩变形同样逐步增大，在煤柱宽度大于16 m时的围岩变形量较小，围岩控制效果较佳，所以综合分析后选定最佳煤柱宽度为16 m。

3 工程实践

3.1 钻孔窥视

在确定最佳煤柱宽度为16 m后，选择在2S202-1综采工作面进行应用实践，对回风顺槽及胶辅顺槽16 m煤柱下的巷道变形及煤柱破坏进行监测。在工作面支承压力及采动影响的共同作用下，此时在煤柱的内部容易出现裂缝，所以需要对煤柱内部裂隙出现及裂隙发育进行监测，随着工作面的推进采用钻孔窥视仪对工作面顺槽裂隙发育情况进行监测，裂隙发育如图3所示。

图3 钻孔裂隙发育

从图3可以看出，在煤柱内部6 m时，钻孔内部未发现存在裂缝，此时钻孔内孔壁及孔身完整性较好，支承压力及采动影响并未对此位置的煤柱完整性产生较大的影响；而在5 m时，此时钻孔内部的裂隙出现，钻孔完整性下降，随着距离的减小，此时煤柱内部裂隙发育明显，裂隙出现贯通交叉，裂缝多以环向裂缝产生，在此范围内煤柱承载性下降。在回风侧段的煤柱塑性区域宽度为5 m，此时煤柱宽度为16 m，弹性区域的宽度大于2倍的采高，此时区段煤柱的保护效果仍能得到一定的保障，所以区段煤柱宽度16 m方案可行。

3.2 变形监测

为了监测回采过程中，工作面两侧区段煤柱巷道围岩变形情况，利用十字布点法对受到采动影响下的巷道顶板、底板、两帮的变形进行记录，掌握巷道变形的特征，从而为后期的支护提供一定的参考。根据回采及巷道布置情况，在回风顺槽位置布置观测点，观测点距离回采面为10 m，观测点钻孔直径为29 mm，钻孔深度为380 mm，同时在钻孔内部打入直径28 mm，长度400 mm的木桩，因为观察周期较长，所以将观测基点布置牢固。绘制回风顺槽巷道变形曲线如图4所示。

图4 回风顺槽巷道变形曲线

从图4中可以看出，巷道两帮及顶板、底板移近量随着观测点距离的减小呈现逐步增加的趋势，在距离观测点10 m的位置时，此时巷道两帮及顶底板的移近量达到最大值，最大值分别为46 mm和56 mm。同时观察回风顺槽巷道围岩变形曲线可以看出，变形曲线大致可以分为三个区段，分别为：在距离回采工作面50～40 m时，此时的巷道变形量差距很小，顶底板及两帮几乎不受影响；在距离回采工作面40～20 m时，在此范围内巷道的围岩变形逐步增大，但增大的趋势较小；在距离回采工作面20 m以内时，此时的巷道两帮及顶底板移近量快速增大，在此范围巷道的围岩变形来到最大值。综合巷道围岩变形量监测数据可以看出，在煤柱宽度留设为16 m时，巷道围岩的变形整体处于可控范围，并未出现大变形或者失稳情况，所以煤柱留设宽度选择16 m方案可行。

4 结论

1）利用数值模拟软件对不同煤柱宽度下巷道围岩变形及煤柱内部支承应力分布情况进行分析，当煤柱宽度为16 m时，能够保证巷道稳定性，同时又减少了资源浪费，最终确定最佳区段煤柱留设宽度为16 m。

2）利用钻孔窥视仪对回风侧段的煤柱内部裂隙情况进行研究，发现钻孔内部裂隙发育情况属于可控状态，煤柱宽度设定为16 m可行。

3）通过对巷道围岩变形情况进行监测，煤柱宽度留设为16 m时，巷道围岩的变形整体处于整体可控范围，并未出现大变形或者失稳情况，证明煤柱留设方案可行。