郭家河煤矿区段煤柱合理宽度的确定与围岩控制研究

刘天文

（陕西郭家河煤业有限责任公司，陕西 宝鸡 721500）

煤柱的留设一直是煤矿设计人员关心的话题，其宽度设计影响着工作面顺利接续和矿压控制效果[1-4]。郭家河煤矿为得出2308 工作面与1309 采空区之间留有的合适煤柱宽度，采用理论计算、数值模拟及现场监测等手段来进行了确定。

1 工程背景

郭家河煤矿已完成1301～1309 工作面回采，接续工作面为Ⅱ盘区2308 工作面，煤层厚16 m，埋深约800 m。巷道顶板上覆岩层主要由中粒砂岩、细粒砂岩及泥岩组成，厚度分别为16 m、5.14 m、4.86 m，底板主要由泥岩和砂质泥岩组成，厚度约3.5 m、6.51 m。现场工作面布置示意图如图1。巷道顶底板煤岩体物理力学参数见表1。

表1 巷道岩层及煤的物理力学参数

图1 工作面布置示意图

2 煤柱尺寸的确定

根据文献[5]可知，工作面一侧采空时区段煤柱塑性区的宽度为：

煤柱在两侧边缘除去塑性区宽度还要一部分煤柱处于弹性应力状态，一般定义该宽度为1～2 倍的开采煤层采高，计算公式为：

式中：X0为一侧采空时煤柱塑性区的宽度，m；B为煤柱合理宽度，m；M为煤层开采厚度，M=16 m；K为应力集中系数，K=2.0；γ为采场上覆岩层的平均容重，γ=2.5 kN/m3；h为煤层埋藏深度，h=800 m；C为煤的黏聚力，C=0.98 MPa；φ为煤的内摩擦角，φ=30°；f为煤层与顶底板接触面的摩擦系数，f= 0.8；pi为支架对煤帮的阻力，忽略不计；ξ为三轴应力系数，ξ=（1+sinφ）/（1-sinφ）。

根据煤矿实际开采条件，可计算出一侧采空时煤柱塑性区的宽度X0=8.25 m，即煤柱合理宽度B=32.5～48.5 m。

3 数值模拟分析

通过理论计算得到合适煤柱宽度为32.5～48.5 m，取煤柱宽度32 m、36 m、40 m、44 m 进行对比分析，进而确定2308 工作面与1309 采空区之间具体煤柱宽度。

3.1 数值模型的建立

建立FLAC3D数值计算模型，考虑到模型边界效应及计算速度，确定数值计算模型边长为x×y×z=800 m×400 m×200 m，数值模型如图2。模型中模拟煤岩体采用摩尔-库仑本构模型，模型四周及底面全部施加位移约束，计算模型顶部施加应力边界。经计算，模型顶面需施加均布垂直荷载17.5 MPa，水平方向施加梯形演化荷载为垂直应力的0.7 倍。

图2 数值计算模型示意图

3.2 不同煤柱宽度下应力及塑性区分析

为了更好地获得不同煤柱宽度下应力演化规律，工作面沿y方向推采时，选取典型状态（y=200）进行切片处理。经Tecplot 软件提取应力值，Surfer软件可视化处理后得到不同煤柱宽度下采动应力云图如图3，煤柱塑性区示意图如图4。

图3 不同煤柱宽度下应力云图

图4 不同煤柱宽度下塑性区示意图

分析图3、图4 可知：当煤柱宽32 m、36 m、40 m、44 m 时，煤柱应力值分别达到32.2 MPa、38.1 MPa、34.4 MPa、32.74 MPa。煤柱应力值随煤柱宽度的增加呈先增大后减小趋势，应力集中系数分别达到1.61、1.9、1.72、1.64。煤柱宽32 m 时，虽然巷道围岩产生塑性区破坏与工作面开采所产生的塑性区破坏相互贯通并连接成一个整体，但存在一定的弹性区域，说明在此煤柱宽度下，具有一定的承载能力。随着煤柱宽度的增加，承载能力逐渐提高，煤柱的应力值逐渐增大。当煤柱宽36 m 时，煤柱应力值达到最大，呈单峰状，冲击风险较大。当煤柱宽40 m、44 m 时，煤柱应力值随煤柱宽度的增加逐渐减小，呈双峰状，且存在一定的弹性区域，两者的应力值相差1.7 MPa。因此从煤炭资源回收率来讲，选择32 m 宽煤柱是合适的。但郭家河煤层厚16 m，采用综采放顶煤工艺进行开采，同时需兼顾防治水与瓦斯灾害防治，若留设煤柱宽度较小，则存在一定的危险性，因此，选择32 m 宽煤柱是不合适的。36 m 宽度的煤柱，虽然能满足要求，但煤柱应力值达到最大，从防冲角度出发，也是不合适的。因此，郭家河煤矿Ⅱ盘区煤柱设计宽度应为40 m。从数值模拟结果看，40 m 煤柱应力呈双峰分布，应力峰值与应力集中系数随着煤柱宽度的加大降低很小，选择该煤柱宽度可以满足郭家河煤矿安全开采条件，能满足防冲煤柱留设要求。

4 工程实践

现场选择煤柱宽度40 m 后，2308 工作面运输巷断面尺寸为净宽5.8 m，净高3.9 m。巷道支护采用锚网索带联合支护，其中顶板采用全锚索支护，顶板短锚索使用Φ21.8 mm×4300 mm 钢绞线，间排距为900 mm×850 mm；长锚索使用Φ21.8 mm×8300 mm 长钢绞线，每排3 根，间排距为1600 mm×1700 mm；帮部锚杆间排距为 900 mm×850 mm。锚杆施加预紧力为80 kN，锚索施加预紧力为180 kN。巷道断面及支护设计如图5。

图5 巷道支护示意图（mm）

巷道围岩变形具有明显的阶段特征。0～45 d 内巷道表面位移量处于急速变形阶段，其间巷道变形量及变形速度较大；45～60 d 内巷道表面位移量处于缓慢变形阶段，其间巷道变形量及变形速度呈现缓慢增加趋势；60 d 后巷道表面位移量处于稳定阶段，基本保持平稳。巷道顶板、底板、左帮及右帮最大位移量分别达到78 mm、65 mm、103 mm、92 mm，巷道围岩变形量得到有效控制，如图6。

图6 巷道围岩变形量示意图

5 结论

1）通过理论计算得出，一侧采空时煤柱塑性区的宽度X0=8.25 m，1309 采空区与2308 工作面留有合理的煤柱宽度为32.5～48.5 m。

2）通过数值模拟得出，煤柱应力值随煤柱宽度的增加呈先增大后减小趋势。当煤柱宽度为36 m时，煤柱应力值达到最大，呈单峰状，冲击风险较大；当煤柱宽度为40 m、44 m 时，煤柱应力值随煤柱宽度的增加逐渐减小，呈双峰状，且存在一定的弹性区域。考虑到郭家河煤矿实际的地质条件，合适的煤柱宽度确定为40 m。

3）巷道围岩变形具有明显的阶段特征，可分为急速变形、缓慢变形、趋于稳定3 个阶段。围岩变形量在60 d 左右趋近于稳定，巷道顶板、底板、左帮及右帮最大位移量分别达到78 mm、65 mm、103 mm、92 mm，围岩变形得到有效控制。