厚煤层综放工作面停采煤柱合理宽度确定

牛小波，崔夏瑜

(国家能源集团 神东煤炭集团锦界煤矿， 陕西 榆林 719300)

神东煤炭集团某矿主要开采侏罗系3#与4#煤层，4#煤层历史停采工作面距离盘区大巷的最近距离为82 m，最远达302 m，单个工作面末采阶段留设的停采保护煤柱内的煤炭储量为15.28～43.47万t，若煤柱宽度每减小10 m则可采出约1.5万t煤炭资源，针对4#煤层历史工作面停采煤柱尺寸过大导致遗留煤量多，以该煤层8202工作面为试点，对此工作面在末采阶段的停采煤柱尺寸进行优化。

1 工作面概况

8202工作面标高930～970 m，平均950 m,走向长度2 265 m,倾向长度180.5 m,倾角3°,面积408 832 m2. 工作面煤层最大厚度7.6 m、最小厚度4.1 m、平均厚度6 m，变化平稳，有2～4层0.10～0.5 m的夹矸，工作面范围内煤层走向东西、倾向北、倾角3°，为近水平煤层；煤层稳定，结构复杂，层理、节理复杂，硬度f=3，对回采的影响较小，煤种为烟煤、煤质为弱黏煤。8202工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤法，自然垮落法管理采空区顶板，机采高度3.2 m，放煤高度2.9 m，采放比为1∶0.91.

2 数值模型建立

4#层8202工作面及其采空区下部对应的为3#层待开采侏罗系煤层，平均间距为25 m，4#层3条大巷与3#层3条大巷垂直错距布置，由于3#层与4#层相关大巷集中布置距离较近，空间关系复杂，为分析8202工作面在末采期间的采动影响在工作面前方的分布与对回风巷道的破坏影响，根据不同属性区域的煤岩体和其他巷道的基线框架边界生成独立的边界面，最后运用工具或命令将所有边界面统一生成多重曲面。利用Griddle插件再分别进行GI、GS、GV处理对应形成基础网格、衔接网格、面网格、体网格并选择适合模型后期计算的网格边缘长度和密度，确定体网格并在网格工具检查选项中确定网格无退化的网格面、无外漏边缘等条件满足后导出，经过Griddle插件网格化后的体网格在Rhino操作界面中最终选择输出对应格式为FLAC3D网格体模型[1]，使用FLAC3D数值模拟软件读取导入后即可得到8202工作面末采阶段完整的巷道、煤层、岩层各分组数值计算模型。

8202工作面与巷道空间位置图见图1. 由图1可知，8202回采工作面在回采过程中始终与其对应的2202进风巷、2201回风巷垂直，由于3条平行的大巷与2201回风巷间呈约102°夹角，故在回采过程中垂直于两顺槽的工作面距4#层回风大巷的距离在2201巷方向上为D41远小于2202巷处的距离D42，因此在末采阶段8202工作面的超前影响范围主要集中靠近回风顺槽2201巷一侧的回风大巷，必须分析8202工作面在末采阶段的超前影响水平距离D来综合判断留设煤柱宽度，达到维护4#层回风大巷与3#层回风大巷稳定性的目的，见图2.

图1 8202工作面与巷道空间位置图

图2 靠近2201巷侧垂直于工作面方向剖面图

3 8202工作面采动特征分析

3.1 沿工作面回采方向支承压力变化特征

由于建立的8202工作面三维等效末采数值模型长为200 m，4#层回风大巷距模型边界的最近距离为132.9 m，根据8202工作面周期来压步距在16～24 m，综合考虑模型尺寸、分步开挖计算、计算效率等因素的影响，计划共分4次开挖，每次开挖步距为25 m，最后一次开挖后总的回采距离为4×25 m，此时距离4#层回风大巷的最近距离为(D41)32.9 m，其中y=81、51、21分别为工作面中上段煤层处工作面前方的3条监测线，y=81是工作面上部靠近2201巷处的监测线，y=21为工作面中部的监测线。工作面回采25 m、50 m、75 m、100 m时的超前支承压力图分别见图3，4.

图3 回采25 m、50 m时超前支承压力图

图4 回采75 m、100 m时超前支承压力图

根据8202工作面距4#层回风大巷的距离D41(靠近回风巷侧停采煤柱长度)分别为107.9 m(回采25 m)、82.9 m(回采50 m)、57.9 m(回采75 m)、32.9 m(回采100 m)得到：工作面前方的超前支承压力随工作面的回采推进动态向工作面前方移动，正常回采阶段回采25 m时，在工作面前方0～9 m超前支承压力迅速增大，同时在工作面前方6～9 m处上升至最大值，并且超前支承压力应力集中系数达到2.54～3.63.

当回采25 m时根据工作面前方3 m范围内出现低于原岩应力的区域减压区，工作面前方一定深度的区域范围由于煤体的采出导致工作面前方煤体的原岩应力状态改变，原来的三维受压状态由于工作面处煤体的采出导致垂直于工作面方向的挤压变弱，所以在竖直方向上的垂直应力在工作面前方煤体松动区域范围内低于原岩应力,呈现出减压区。

工作面回采50 m时在工作面前方0～7 m超前支承压力迅速增大，并且在6～7 m超前支承压力上升到最大值，其中应力集中系数达到2.72～3.36，此时减压区在工作面前方2 m深的实体煤范围内，正常回采阶段不同回采距离时，位于工作面前方的增压区在工面前方约50 m范围处，远离工作面超前支承压力逐渐趋于平缓。

回采75 m时超前支承压力在工作面前方迅速上升，7 m处增至最大值，应力集中系数达到3.27，同时工作面前方2 m范围内的实体煤中表现出减压区，并且在工作面前方4～7 m垂直应力呈线性增长至最大值，超前支承压力达到最大值后，在工作面前方7～35 m处呈反比例函数，超前支承压力随远离工作面的距离而减小；远离工作面大于35 m超前支承压力趋于稳定，但在靠近2201回风巷侧测线y=81测得超前支承压力的数值均大于工作面中部以及其他部位。

由回采100 m时工作面超前支承压力可知，回采100 m时靠近2201回风巷侧超前支承压力在工作面前方9 m处增大到峰值，应力集中系数达到3.18，达到峰值后工作面后方10～30 m仍处于增压区递减范围内，此时工作面距回风大巷的最近距离为32.9 m，原因是数值模型中4#层回风大巷受到干扰，并非处于工作面超前支承压力增压区的减压区域内。

3.2 支承压力与停采煤柱宽度分析

8202工作面在回采过程中煤柱宽度的减小，导致支承压力前移，此时8202工作面停采煤在回采方向上是两侧采空，一侧是采空区另一侧是盘区大巷，回采距离引起的支承压力的叠加距离分布与停采煤柱的宽度主要有以下情形：

当回采距离为25 m和50 m时，停采煤柱的宽度分别为107.9 m、82.9 m，此时可知整个工作面的塑性区宽度与超前支承压力均未影响盘区回风大巷，在远离工作面40 m左右超前支承压力很稳定并接近原岩应力。当回采距离为75 m时，煤柱的宽度为57.9 m，此时超前支承压力在工作面前方35～42 m趋于稳定接近原岩应力，支承压力未达到大范围的叠加，煤柱中间叠加部分略大于原岩应力，并且支承压力沿煤柱宽度方向呈马鞍形分布，煤柱中部仍旧存在弹性变形区[2]. 当回采100 m时，煤柱的宽度为32.9 m，此时由于工作面处超前支承压力与盘区大巷侧向支承压力的相互叠加，超前支承压力的峰值以及影响区域几乎覆盖住巷道的侧向支承压力峰值，马鞍形几乎消失，并且煤柱中央的弹性区域已消失，其中部可能因长期处于塑性流动状态而遭到破坏。

3.3 停采煤柱宽度计算

通过分阶段模拟8202工作面末采阶段回采期间工作面前方实体煤中超前支承压力的分布，分析得到工作面回采期间工作面前方均存在0～2 m的减压区，工作面超前支承压力的最大值位于工作面前方7～9 m处；结合极限平衡理论，塑性区的宽度即支承压力峰值与煤体边缘间的距离x0[2]为：

(1)

式中，K为应力集中系数,取3；p1为支架对煤帮的阻力,MPa；m为煤层的开采厚度,取3.3 m；C为煤体的黏聚力,取0.623 MPa；φ为煤体的内摩擦角，取31.08°；f为煤层与顶底板接触面的摩擦因数，取0.9；ξ为三轴应力系数;γ为煤岩体容重,取1.46 t/m3；H为煤层厚度,取6.1 m.

得到工作面前方极限平衡条件下塑性区宽度x0=9.52 m，同理根据4#层盘区大巷侧向支承压力的应力集中系数K=1.4可计算出4#层盘区大巷的塑性区宽度为x1=4.25 m. 结合不同阶段模拟的回采距离条件下的塑性区宽度可知靠近工作面区域的支承压力的峰值与工作面间的距离均在7～9 m，与弹塑性条件下计算得到的塑性区宽度x0=9.52 m相差2.52 m，也能够进一步说明该条件下数值模拟计算的结果与理论计算的结果方向上的一致性。

停采煤柱的宽度计算公式：

B=x0+2m+x1

(2)

其中：m为煤层平均厚度6 m，结合式(1)计算得到的x0=9.52、x1=4.25，可以得到最小的停采煤柱宽度应为25.77 m. 结合数值模拟计算结果，有效停采煤柱宽度在32.9～57.9 m；结合弹塑性理论计算得到停采煤柱的宽度大于25.77 m，所以停采煤柱宽度的合理范围应当是在32.9～57.9 m.

4 稳定性分析

根据所记录的8202工作面末采阶段数值计算模型各阶段的最大不平衡力变化情况可知，在回采25 m时对模型整体的扰动较小，回采范围变大时模型中产生的最大不平衡力变大，即模型中最大内外应力差值越大对巷道的扰动越大，回采75 m时产生的系统不平衡力最大，回采至100 m时回采产生的最大不平衡力有所下降。回采阶段不平衡力变化图见图5.

图5 回采阶段不平衡力变化图

回采75 m时，工作面距4#层回风大巷最近距离为57.9 m，4#层回风大巷位于8202工作面超前支承压力增压区的稳定范围边界处，同时回风巷处于工作面最大超前支承压力增压区的减小范围内，且此时工作面对4#层的回风大巷顶板的影响都较小，所以在8202工作面末采期间要确保回风大巷的稳定，则回采距离应当控制在小于75 m的范围内，此时工作面距4#层回风大巷的距离D41应大于57.9 m.

根据4#层8202工作面现场，最终留设的煤柱宽度靠近2201回风巷侧D41=60 m，保证了4#层8202工作面后期回撤通道的形成与撤架工作的安全实施，最终保证了停采煤柱的稳定性。

5 结 论

以4#层8202工作面为研究对象，采用FLAC3D数值模拟软件，对工作面停采煤柱宽度超前支承压力场和塑性区范围进行数值模拟，数值条件下较为合理的停采煤柱宽度为 32.9 m～57.9 m，经稳定性分析，8202工作面在距回风大巷60 m处停采能够确保停采煤柱的稳定性。