裕兴煤业15 号煤层大巷保护煤柱回收工作面布置研究

李德军

（山西煤炭运销集团 裕兴煤业有限公司，山西 晋城 048000）

1 概 况

山西煤炭运销集团有限公司为主体企业兼并重组整合，由4 个整合关闭矿井、5 个十关闭矿井及1 个已关闭矿井等10 个矿井整合而成，兼并重组整合后企业核准名称为山西煤炭运销集团裕兴煤业有限公司（裕兴煤业），兼并重组前，井田内原各矿井均开采3 号煤，目前井田内3 号煤已基本采空。矿井接替煤层为15 号煤层，上距3 号煤层底板一般为91.61～115.31 m，煤层厚度3.10～5.39 m，含0～2 层夹矸，夹矸成分为泥岩或炭质泥岩，属于全区稳定可采煤层。由于裕兴煤业设计服务年限较长，现阶段15 号煤层一采区可采资源已基本采掘完毕，为了提高采出率，设计对采区内西大巷保护煤柱进行回收。为实现煤柱工作面的安全高效生产，对其巷道布置和支护进行研究。

2 大巷保护煤柱变形破坏规律研究

大巷保护煤柱的采掘工程平面图如图1 所示。由图1 可以看出，此次设计回收的大巷保护煤柱主要位于F19、F14 两条正断层之间，根据规划，工作面总可采长度约400 m，工作面宽度为100～120 m，煤柱工作面两侧存在不同边界条件的采空区，工作面回风平巷侧与15101 工作面采空区相邻，南侧为15102～15105 工作面采空区，15102 采空区、15103 采空区、15104 采空区与西运输大巷距离分别为37、5、35 m，15103 采空区拐点与大巷煤柱距离最小。由于煤柱回收工作面两侧邻近的采空区为不同类型，因此采用数值模拟手段分别对其破坏规律进行研究。

图1 煤柱工作面位置示意图Fig.1 Coal pillar working face position diagram

2.1 采空区侧破坏规律及巷道合理位置分析

为了确定煤柱回收工作面回风平巷的合理位置，进行煤柱内应力及塑性破坏区分布的研究，结合裕兴煤业一采区西大巷实际工况，借助FLAC3D软件建立孤岛工作面模型，模拟计算得到煤柱走向与采空区推进方向平行时煤柱内塑性区及支承应力分布，如图2 所示。

图2 采空区侧工作面破坏及应力分布Fig.2 Failure and stress distribution of goaf side working face

根据图2 所示结果分析可知，煤柱内围岩状态可以看出，距采空区较近的区域受到采动影响较大，该部分煤体及顶底板围岩发生塑性破坏，围岩内支承应力变化幅度大，出现明显的应力集中；在距离采空区较远的煤柱深部区域，煤岩体围岩状态及应力状态受采空区影响较小，煤岩体未发生塑性破坏，保持着原岩应力平衡状态。根据采空区边缘附近煤柱的塑性破坏情况及应力分布，可将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域，Ⅰ区域距采空区边缘0～11 m，该部分煤岩体结构松散破碎，但是煤岩体支承应力小于原岩应力，处于应力降低区，若将巷道布置在该区域，煤柱宽度较小，围岩内应力较低，有利于巷道维护和缩小煤柱宽度；Ⅱ区域距采空区边缘11～30 m，煤岩体基本未出现塑性破坏，支承应力高于原岩应力，将煤柱布置在该区域时，预计巷道围岩在应力作用下将出现较大范围的破坏变形，造成巷道支护及维护困难；Ⅲ区域距采空区边缘30 m 以上，距离采空区较远，围岩未破坏，基本处于原岩应力状态，预计巷道掘进及支护较方便，但是煤柱宽度过大，浪费资源严重。综合分析可知，初步建议煤柱回收工作面回风平巷与采空区间煤柱宽度为4～9 m 较合理。

2.2 采空区拐点附近应力分布与变形规律

大巷煤柱煤回收工作面运输平巷邻近3 个与巷道轴向呈不同角度的采空区拐点，为掌握采空区拐点附近煤柱围岩破坏及应力分布特征，借助FLAC3D 软件建立图3（a）所示数值模型。考虑15102 与15104 采空区平行且与煤柱距离基本相同，且15102 采空区面积最大，因此仅进行15202采空区的模拟，共建立15102 和15103 工作面采空区，在2 个采空区拐点处分别向大巷方向做水平垂线，以MN 测线为例得到拐点区域围岩塑性区及应力变化规律，如图3（b）、图3（c）所示。

图3 采空区拐点数值模拟结果Fig.3 Numerical simulation results of goaf inflection point

根据图3 所示结果分析可知，在距采空区N拐点0～8 m，煤柱发生塑性破坏，支承应力迅速增大达到峰值；在距采空区N 拐点8～30 m，煤柱内部支承压力由22.5 MPa 逐渐减小为10 MPa，煤柱内未出现塑性破坏；距采空区N 拐点30 m 以上区域，煤柱内支承应力稳定为10 MPa。对比HF 测线得到围岩塑性区及支承应力分布情况可知，不同采空区拐点处煤柱内塑性区和应力分布规律基本相同，15102 采空区及15104 采空区拐点距西运输大巷距离分别为35 m、37 m，均超出采空区拐点支承应力影响范围，因此进行煤柱回收工作面运输平巷合理布置位置研究时仅考虑15103 采空区的影响即可。

3 煤柱工作面回采巷道布置

为进一步确定裕兴煤业15 号煤层一采区煤柱回收工作面巷道布置位置，以保证巷道稳定、资源采出率为原则，提出多种煤柱宽度方案，然后借助数值模拟软件对掘巷期间围岩应力及变形情况进行分析。

3.1 回风平巷合理位置分析

一采区大巷煤柱回收工作面回风平巷与15101采空区平行，设计7 种窄煤柱宽度，分别为3、4、5、6、8、10、15 m，回风平巷在不同煤柱宽度条件下，采用传统锚网索支护方式掘进，取巷道腰线位置应力及位移为对象展开研究，结果如图4 所示。煤柱宽度为3～6 m 时，应力峰值小于15 MPa；煤柱宽度为8、10、15 m 时，应力峰值分别达到20、25、30 MPa，煤柱宽度大于6 m 后，煤柱内应力集中程度迅速增大。当煤柱宽度小于6 m时，巷道内煤柱侧水平位移为200 mm 左右；煤柱宽度为8、10、15 m 时，煤柱水平位移达到300 mm 左右。综合考虑可知，回风平巷与15101 采空区留设4～6 m 煤柱最合理。

图4 回风平巷煤柱内应力及水平位移模拟结果Fig.4 Simulation results of internal stress and horizontal displacement of coal pillar in return airway

3.2 运输平巷合理位置分析

建立运输平巷沿15103 采空区拐点边缘处掘进的数值模型，采用传统锚网索支护方式掘进，取巷道腰线位置应力及表面位移为对象展开研究，结果如图5 及表1 所示。煤柱宽度为5 m 时，应力峰值为20.5 MPa，巷道处于应力增高区，巷道表面变形量较大；煤柱宽度为10 m 时，煤柱内应力开始呈双峰分布，巷道煤柱帮内支承应力峰值达到20.5 MPa，巷道表面变形量同样较大；煤柱宽度为20、30、40 m 时，煤柱内支承应力开始呈双峰分布，巷道侧峰值减小为15 MPa 左右，巷道表面变形量也显著减小，利用巷道支护及稳定。由此说明，煤柱宽度大于20 m 后利于巷道掘进和维护工作，考虑到尽可能提高资源采出率，煤柱宽度为20 m 最合理可行。

表1 巷道表面变形量数值模拟结果Table 1 Numerical simulation results of roadway surface deformation

图5 运输平巷煤柱内垂直应力分布Fig.5 Vertical stress distribution in coal pillar of transport roadway

4 煤柱回收工作面巷道布置及应用效果

综合前文数值模拟及理论分析结果，最终确定裕兴煤业一采区大巷煤柱回收工作面布置如图6 所示。回风平巷与15101 工作面采空区间煤柱宽度5 m，运输平巷与15103 采空区拐点处垂直间距20 m，煤柱回收工作面宽度为100 m，可采长度为420 m。回风平巷与运输顺槽均采用矩形断面宽×高=4.5 m×3.0 m，根据裕兴煤业煤巷支护以往经验，设计其锚网索支护参数。

图6 一采区大巷煤柱回收工作面巷道布置Fig.6 Roadway layout of coal pillar recovery working face in No.1 mining area

巷道掘进期间监测表面变形情况来考察支护效果。根据矿压监测数据，巷道围岩大约在掘进40 d后稳定下来，回风平巷窄煤柱侧内移变量多稳定在100～120 mm，实体煤帮内移量多为90～100 mm，顶板下沉多稳定在120～140 mm，底板无明显底鼓变形，煤柱帮变形略大于实体煤帮变形，总体稳定性良好；运输平巷煤柱侧内移变量多稳定在90～100 mm，实体煤帮内移量多为110～120 mm，顶板下沉多稳定在100～120 mm，底板无明显底鼓变形，实体煤帮变形量略大于煤柱帮，总体稳定性良好。根据监测结果分析可知，煤柱回收工作面巷道掘进期间变形满足其使用需求，设计的巷道布置方式及支护参数可行。

5 结语

以裕兴煤业一采区大巷保护煤柱回收工作面设计及施工为背景，借助数值模拟手段对采空区影响下煤柱内应力状态及塑性破坏情况进行研究，邻近15101 工作面采空区的回风平巷煤柱宽度为4～6 m较合适，靠近多个采空区拐点的运输平巷煤柱宽度为20 m 以上最合适。由此确定回风平巷与15101采空区间煤柱宽度为5 m，运输平巷与15103 采空区拐点间煤柱宽度为20 m，两条顺槽均采用锚网索支护方式，掘巷期间监测其表面变形情况，两条顺槽掘巷期间围岩大约在掘进40 d 后稳定下来，巷道围岩变形在其设计的合理范围内，验证了设计的工作面布置参数的合理性。