特厚煤层旧采区保护煤柱留设研究

刘兴国

（山西煤炭进出口集团左云韩家洼煤业有限公司，山西 大同 037100）

为有效隔绝采空区有害气体外溢，避免采空区四周侧向支承压力对新的回采巷道围岩稳定性产生影响，护巷煤柱作为一种传统而有效的措施被广泛使用于煤矿生产实际中[1]。众多开采实践与研究成果表明，增大护巷煤柱宽度并不能有效防护空区侧向支承压力对巷道的破坏，反而极大浪费煤炭资源。为提高煤炭资源回收率、节约煤炭资源，科学合理确定护巷煤柱宽度成为矿井安全、高效生产的必要课题[2]。我国煤炭科技工作者针对这一问题，进行了大量研究并得出众多具有积极意义的成果[3-5]。

韩家洼矿22401 工作面为特厚煤层工作面，在工作面回采范围内具有较多旧采空区，为给出适用于韩家洼矿的采空区护巷煤柱宽度，综合现有研究成果，采用了理论计算、工程类比与数值模拟方法，综合确定了22401 特厚煤层综放工作面护巷煤柱宽度，兼顾煤炭资源高回收率与回采巷道安全应用。

1 工程背景

韩家洼矿为资源整合矿井，井田22 号煤层大量分布小窑破坏区。22401 工作面位于井田西北部，主采22 号煤层，厚度9.2～14.8 m，平均厚度11.6 m。22 煤层有4 层砂质泥岩夹矸，总厚度1.99 m，煤层结构较为复杂，煤层倾角4°～11°，平均倾角6°。工作面采用综放采煤法，割煤高度为3.0 m，放顶煤高度为8.6 m。工作面直接顶为2.4 m 厚的砂质泥岩，基本顶为13.4 m 厚的细砂岩，如图1（a）。地面标高1550～1580 m，井下标高1263～1290 m，平均埋深210 m。

依据224 采区设计，22401 工作面停采线前方0～500 m 存在有资源整合前的旧采空区，采区内旧空区长度为45 m，内部共三个长度为140 m 综放面、两个宽度为40 m 的区段煤柱，如图1（b）。为避免旧空区影响22401 工作面回风顺槽围岩稳定性，同时保证煤炭资源回收率，需对22401 回风顺槽护巷煤柱宽度进行研究。

图1 22401 工作面工程地质背景图

2 理论分析护巷煤柱宽度

结合谢广祥教授构建的煤柱弹塑性极限平衡受力模型，可得出在静力学条件下煤柱采空区侧与巷道侧塑性区与破坏区宽度之和。结合煤柱弹性核理论可知，煤柱塑性区宽度应当小于煤柱整体宽度的66%，否则煤柱极易突变失稳，则可确定稳定的煤柱最小宽度X[6]。

式中：X为煤柱最小稳定宽度，m；x1为回采巷道侧塑性区宽度，m；x2为采空区侧塑性区宽度，m。

回采巷道侧塑性区宽度：

式中：M为巷道高度，取回风顺槽掘进高度3.2 m；M1为煤柱高度，取煤层最大厚度14.8 m；β为侧压系数，韩家洼矿地应力实测为0.43；φ0为煤柱内摩擦角，岩石力学实验测得为25.69°；σymax为煤体抗压强度，岩石力学实验测得为21.17 MPa；α为煤层倾角，工作面最大倾角11°；C0为煤体内聚力，岩石力学实验测得为1.25 MPa；γ0为煤柱平均容重，岩石力学实验测得为1380 kN/m3；Px为煤柱所受侧向约束，回风顺槽侧煤柱所受侧向约束为0.2 MPa，旧空区侧煤柱所受侧向约束0 MPa。

带入22401 工作面相关地质工程参数可知，回风顺槽侧煤柱塑性区宽度为2.45 m，旧空区侧煤柱塑性区6.23 m，则可得稳定煤柱的最小宽度为13.15 m。考虑一定富裕系数与安全余量，暂定安全护巷煤柱宽度为18 m。

3 数值模拟计算护巷煤柱宽度

为进一步明确22401 工作面回采引发的采动应力对护巷煤柱稳定性的影响，验证理论计算护巷煤柱宽度计算合理性，构建三维FLAC3D等比例数值计算模型，如图2，明晰护巷煤柱内部塑性区分布特征与应力演化规律。模型中以x 轴正方向为22401 工作面推进方向，以y 轴负方向为旧采区推进方向，模拟过程为待模型初始平衡计算完成后，开挖旧采区工作面。由于旧采区形成年代久远、围岩运移历程较长、覆岩结构稳定形成，故模型应当计算收敛；明确旧采区对煤柱内部应力演化塑性区发育影响机制后，初步确定合理护巷煤柱宽度，严格按照现场施工流程开挖回风顺槽，探究巷道掘进对煤柱稳定性的影响；开挖22401 工作面，研究工作面推进引起的超前支承压力对煤柱内部塑性区扩展的影响规律，最终确定合理的回风顺槽护巷煤柱宽度。

图2 FLAC3D 数值计算模型

由图3（a）、（b）可知，当旧采区开挖后，由旧采区开挖扰动引起煤体内部垂直应力重新分布与集中，最大值为18.82 MPa，应力集中系数为3.59，峰值距旧采区煤壁7.0 m；煤体塑性区分布呈现“√”状分布且集中分布于煤体上部，塑性区最大深度为7.5 m。由图3 （c）、（d）可知，22401 工作面回风顺槽掘进完成后，受顺槽掘进扰动影响煤柱内部应力第二次重新分布，在煤柱两侧形成两个应力集中区域，煤柱旧采区侧应力集中最大值为19.63 MPa，应力集中系数为3.74，应力集中区域出现向煤柱内部进一步转移现象，峰值位置距旧采区煤壁8.0 m，塑性区向煤柱内部发育并集中于煤柱中上部，塑性区分布范围明显增大，最大深度为8.5 m；同时煤柱顺槽侧应力峰值距巷帮2.0 m，峰值为16 MPa，塑性区最大深度出现在巷帮中上部为2.0 m。在22401 工作面推进时，煤柱内部应力出现第三次重新分布。由图3（e）、（f）可知，煤柱内部应力集中范围进一步增加，且两侧应力集中范围相互结合，应力峰值为20.99 MPa，应力集中系数为3.74，塑性区分布范围进一步增加，且煤柱两侧总塑性区宽度为11.5 m，占煤柱总宽度18 m 的63.9%，小于煤柱失稳阈值66%。

图3 数值模拟计算结果分析图

4 结论

结合22401 特厚煤层综放工作面临旧采空区回采巷道护巷煤柱宽度设计问题，耦合煤柱弹塑性极限平衡受力与煤柱弹性核理论，得出煤柱巷道侧与空区侧煤柱宽度为2.74 m、6.23 m，初步确定临空护巷煤柱合理宽度应当为18 m。构建了FLAC3D三维数值计算模型，得出煤柱内部应力演化的三个阶段，并分析了应力演化规律与塑性区分布特征，给出了动力学条件下煤柱宽度为18 m 时，塑性区宽度为11.5 m，小于煤柱失稳的最大容许塑性区宽度。