特厚綜放工作面沿空窄煤柱尺寸研究

楊禎龍

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024；2.同煤集團安全監管五人小組管理部，山西 大同 037003）

0 引言

綜放開采技術的發展是煤礦經濟效益快速增長的一種前提因素，為進一步提高綜放工作面效率，加強綜放工作面的頂板管理，煤柱的寬度至關重要[1]。如何在保障工作面開采過程安全生產，又以最大限度的對不可再生能源加以利用，是現今采礦界必須面對的問題[2]。安全生產涉及巷道穩定性，而護巷煤柱對維護巷道穩定起著關鍵性作用。煤柱尺寸既與安全息息有關，又和煤炭資源利用率有關，留設不足造成巷道圍巖難以控制，甚至釀成安全事故。留設過寬，造成資源的浪費，降低礦井經濟效益，更不符合國家倡導的走資源節約型的方針。雖然眾多學者進行了一些護巷窄煤柱的研究[3]，但對于特厚綜放工作面沿采空區留設護巷合理窄煤柱尺寸研究還不是很完善，以塔山煤礦特厚3-5#煤綜放8101工作面沿8102采空區留設窄煤柱為背景進行研究。

1 地質概況

塔山礦已成功回采了一盤區8102、8103工作面，原區段護巷煤柱寬度留設38m左右，但工作面順槽礦壓顯現強烈，巷道變形、冒頂嚴重，甚至局部底鼓，且兩工作面保安煤柱較寬，資源浪費嚴重，煤柱損失高達10%～30%，煤炭資源損失嚴重，這兩個問題制約著礦井安全高效的發展，與塔山煤礦循環經濟工業園理念背道而馳。

塔山煤礦3-5#煤8101工作面走向長度1445m，傾向長度231.4m。該工作面所在位置煤層平均厚度20.08m，夾矸2～9層，煤層節理較為發育，地溫梯度為3.29℃/100m，為低瓦斯工作面。根據物探報告、地質報告、8102工作面開采等資料顯示，8101工作面所處范圍無大的陷落柱、斷層等地質構造。8101工作面與8102采空區相鄰，其中8102工作面于2007年7月就已回采完畢，現階段準備開采8101工作面。

8101工作面偽頂厚為2～6m，主要以高嶺質泥巖、炭質泥巖、泥巖為主，局部含有砂質泥巖。直接頂厚約20m，主要以厚層狀中硬以上粗粒砂巖和砂礫巖為主，局部含有高嶺巖、高嶺質泥巖。老頂以粗粒砂巖、細粒砂巖為主，部分為中粒砂巖、砂礫巖。底板多為砂質高嶺質炭質泥巖、泥巖和高嶺巖，局部含少量粉砂巖和細砂巖。根據塔山煤礦地質報告、巖石試樣試驗等資料顯示，3-5#煤8101工作面頂底板圍巖物理力學參數見表1。

表1 圍巖物理力學參數

2 窄煤柱寬度理論分析

2.1 護巷窄煤柱采空區側覆巖垮落結構

如圖1所示，窄煤柱一側工作面在采空后，偽頂、直接頂等隨采隨落，上方老頂類似磚型塊體下沉或回轉變形。遠離煤柱區域，如塊體C直接隨下方巖體變化沉降。在煤柱區域的塊體B以破斷線腳處為圓點旋轉，與塊體A和塊體B鉸接咬合。窄煤柱采空區側上覆老頂的變化，上部載荷作用力則會加載到窄煤柱上，煤柱邊緣基本會形成應力集中。從采空區側邊緣到煤體側，煤柱依次出現破裂區、塑性區、穩壓區[4]。

圖1 一側采空窄煤柱護巷時巖體變形情況

2.2 窄煤柱應力分布

煤體開挖以后，穩定煤柱內部應力分布規律[5]，較為權威且為絕多大數采礦研究者所認同的是A.H.Wilson的兩區約束理論。由煤柱載荷試驗可知，其內部應力隨著加載的外部作用力不同而不斷變化，煤柱內部應力最高點到靠近采空區邊緣范圍，煤柱承受上覆作用力過強，且向采空區側發生一定的塑性變化，這部分可以稱之為煤柱內塑性區；與采空區相鄰區域，支承力極小的區域稱之為煤柱內破裂區；在煤柱中部區域，基本未發生變形，煤柱支承應力低于鄰近塑性區應力，由塑性區夾逼、還處于彈性范圍、應力是三軸下的情況這部分稱之為原巖應力彈性區，也叫煤柱彈性核區。煤柱應力分布如圖2所示，圖中Ⅰ為穩定煤柱破裂區，Ⅱ為煤柱塑性區，Ⅲ為煤柱彈性核區。

圖2 煤柱三區分布示意圖

2.3 沿采空區護巷窄煤柱寬度計算

采用極限平衡理論和彈塑性理論計算[6]，3-5#煤8101綜放工作面沿8102采空區空最小護巷煤柱寬度B，如圖3所示。

8101綜放工作面沿8102采空區最小護巷煤柱寬度B可以表示為：

式中：B為最小護巷煤柱寬度；x0為采空區側塑性區；R為錨桿錨固深度，取2.4m；L0為彈性核區。

圖3 沿空最小護巷煤柱計算模型

煤柱的一側塑性區寬度x0為：

式中：m為煤層平均厚度，20.08m；K為集中應力系數，2.5；γ為上覆巖層平均容重，25kN/m3；H為煤層平均埋深，465m；C為煤柱內聚力，1.8MPa；φ為煤體內摩擦角，33°；λ為塑性區與彈性核區的側壓系數，0.3；ξ為三軸應力系數，3.39；F為煤巖互層系數，1.1。

將以上各個參數代入上述公式（2）中，計算得采空區一側煤柱塑性區寬度x0為3.107m。

將數據代入公式（1）中計算得到煤柱寬度范圍6.33～7.43m。因此，為了滿足煤柱強度和穩定性要求，8101綜放工作面沿采空區側的窄煤柱應留設大于或等于計算的極限煤柱寬度，即8101綜放工作面護巷煤柱的最小寬度應為7.43m。

3 窄煤柱數值模擬研究

3.1 FLAC3D模擬模型建立

為了合理的確定綜放8101工作面沿空護巷煤柱的寬度，同時全面、客觀地反映煤柱的合理性，構建FLAC3D三維數值模擬計算模型，模擬在開采過程中留設的四種不同煤柱寬度，觀察各自塑性區范圍，根據塑性區分布從而確定出合理可行的最佳護巷窄煤柱寬度。

3.2 模擬結果及分析

模型建好后，模擬開挖8101工作面，開挖步距為45m，在超前工作面10m處切開取其剖面，分別觀察護巷窄煤柱寬度為4m、6m、8m和10m下各自的煤柱塑性區分布情況，以便確定出護巷窄煤柱最佳寬度。

圖4 不同護巷窄煤柱寬度下塑性區分布

在超前工作面10m處，從各個煤柱的塑性區分布來看，煤柱為4m和6m時，幾乎整個煤柱均處于塑性區內，說明在采動影響下，該煤柱會發生失穩破會，無法保證工作面安全生產。煤柱為8m和10m時，靠近采空區側塑性區范圍較大，但整個煤柱未被塑性區貫通，說明中部區域具有彈性核區，塑性區區域顯著減小。就8m和10m煤柱相比較，明顯10m煤柱的塑性區范圍小于8m煤柱，就穩定上來說，留設10m煤柱更加有優勢，但考慮到資源的損失，而且從塑性區分布來看8m煤柱也能滿足穩定性要求，故塔山煤礦特厚8101綜放工作面最佳煤柱留設尺寸取8m更加合理。

4 工業性實踐

4.1 窄煤柱變形實測

在開采期間，在巷道具有不同特征位置處布置四個測點，對沿8102采空空巷道表面位移變化進行實測，測得巷道頂底板及兩幫位移值如表2所示。

表2 綜放沿空巷道圍巖變形實測結果

從表2四個測點結果來看，靠近煤體側的左幫最大變形量為79mm，煤柱側的右幫最大變形量為97mm，頂板最大下沉量為43mm，底臌量最大為22mm，巷道位移變形量均在較小合理范圍內，說明巷道穩定性較好。進一步反映了綜放8101工作面沿空的8m窄煤柱能夠滿足巷道的穩定性要求，其煤柱尺寸留設合理。

4.2 窄煤柱應力實測

圖5 窄煤柱應力監測結果

在8101工作面開采過程中，運用鉆孔應力計對窄煤柱內部應力進行實時監測。從工作面開采時就開始收集數據，直到工作面初次來壓時結束。共測了煤柱三個不同位置處的應力，煤柱應力監測結果如圖5。

在開采過程中，三個測點距工作面50～26m范圍，隨著工作面的臨近，煤柱應力監測值緩慢上升；在距工作面26～13m范圍，隨著工作面的臨近，煤柱應力急劇上升，上升斜率大；在距工作面13m范圍內，煤柱應力有所下降，但均遠高于原巖應力。這表明在工作面推進過程中，煤柱受力不斷增大而后變緩，但仍高于遠離工作面較遠處的應力。1#、2#和3#測點應力監測值變化規律基本相同，應力峰值較高且相近，這表明特厚煤層綜放工作面沿空留設的8m窄煤柱不會發生失穩破壞，能夠滿足8101工作面開采期間的強度要求。

5 結 論

根據塔山煤礦8101綜放工作面工程概況，通過理論分析計算和數值模擬，確定了護巷窄煤柱留設最佳尺寸為8m，并通過現場實測表明，該窄煤柱護巷有效。

1）穩定性。8101工作面在開采期間，留設的8m窄煤柱能夠滿足強度要求，在8m護巷煤柱保護下，8101綜放工作面順槽穩定性較好，未進行高成本維護，工作面實現了安全高效生產。

2）經濟性。8101綜放工作面沿空留設8m的窄煤柱，增產百萬余噸，減小了不可再生資源的損失，提高了采出率，顯著增加了礦井經濟效益。