淺埋煤層綜放工作面區段煤柱優化設計研究

張 瑞

(山西潞安集團 蒲縣黑龍煤業有限公司，山西 蒲縣 041200)

1 工程概況

潞安集團黑龍煤業2103綜放工作面開采9#+10#+11#煤，工作面開采范圍內煤層厚度穩定，9#煤與10+11#煤之間有一層夾矸厚度平均為1.6 m，10#與11#煤層合并。9#煤平均厚度0.8 m，10#+11#煤平均厚度4.8 m，煤層頂底板巖性見表1. 2103工作面地面位置位于毛家溝村的南面，距毛家溝村220 m；煤層層位位于下水平9#+10#+11#煤層，與上水平2#煤層之間垂直距離69 m. 地面標高：1 273～1 430 m，工作面標高：1 050～1 235 m，蓋山高度：88～205 m，埋深較淺。

表1 頂底板巖性表

2 區段煤柱優化前的現場實測

為了掌握優化前區段煤柱內支承應力的變化規律，確定合理煤柱的寬度，利用高精度ZLGH鉆孔應力計測試工作面回采期間煤柱煤體應力狀態[1]. 2101工作面回采為第一次采動影響下，通過應力變化趨勢，確定采動影響下煤柱破壞范圍。2101工作面運輸順槽與2103工作面回風順槽間煤柱上檢測孔的布置見圖1，鉆孔垂直煤壁沿水平方向鉆進，孔間距2.0 m，鉆孔深度為1～10 m，在正在回采的2101工作面一側和即將回采的2103工作面一側分別布置測點，觀測煤柱內的應力變化情況。

通過應力計在2101工作面回采期間讀數的統計，整理后得到曲線圖，見圖2. 通過煤柱內不同深度下煤體應力狀態的變化，確定該范圍內煤巖體處于塑性狀態還是彈性狀態。圖2a)為2101工作面一側煤柱應力變化曲線，測試孔深度為9 m時，煤柱內應力曲線變化規律為先減小，后增大，隨后穩定不變；測試孔深度為1.0 m、1.5 m、2.5 m、6 m時，區段煤柱內煤巖體應力變化可分為4個階段，距回采工作面40 m以外時為穩定段；距工作面距離40～20 m為緩慢增長段；距離為20～-40 m時為快速增長階段；距離超過-40 m后繼續進入到穩定階段；鉆孔深度為3.0 m時，應力峰值最大，豎直方向上的應力最大增幅為2.86 MPa，導致該位置的煤體已經完全塑性破壞，煤柱內4.5 m處應力雖有增加，但是增幅非常小，并且整體上增加量為負值。因此，因2101工作面回采導致區段煤柱靠近采空區一側的塑性破壞深度為3.0～4.5 m.

圖1 區段煤柱各個監測鉆孔應力計平面布置圖

圖2 2101工作面回采期間煤柱內部應力變化曲線圖

2101工作面回采引起區段煤柱在2103工作面一側應力變化測試結果見圖2b). 煤柱內豎直方向上應力的變化整體呈現“平穩—增大—減小—平穩”的趨勢，測試孔深度為3.5 m、4.5 m、5 m時應力變化規律基本同步，并且增幅較小，由此可以認定該區域煤體處于彈性狀態，測試深度為2.5 m時，應力值波動明顯，在工作面回采后又有較大的增加，而2.0 m處煤巖體應力增加非常微小，因此可以認為煤柱內塑性破壞區為2.0～2.5 m.

2101工作面回采期間，對巷道圍巖的變形也進行了觀測，巷道頂板下沉量最大約為2.0 cm，兩幫移進量最大約為4.5 cm，整體上巷道非常穩定，靠近采空區一側塑性破壞深度為3.0～4.5 m，靠近2103工作面一側破壞深度為2.0～2.5 m，區段煤柱完整性很高，由此可知30 m的區段保護煤柱在采動的影響下具有非常好的穩定性。為了提高煤炭資源的利用率，提高該礦的經濟效益，現階段區段煤柱寬度雖然能夠滿足安全生產的需求，但是不利于生產效率和采出率的提高，因此決定對煤柱寬度進行優化設計。

3 合理煤柱寬度理論分析

在2101工作面回采完畢后，采空區由直接頂巖層垮落充填，基本頂巖層破斷鉸接形成見圖3a)，其中塊體A為穩定的上覆巖層，B為弧形三角塊，屬于穩定與垮落的過渡階段，塊體C為完全垮落的巖層。由此可知，塊體B的穩定對于區段煤柱的穩定性起決定性的作用[2-3].

圖3 區段煤柱穩定性分析示意圖

為了更加直觀地分析計算，將上覆巖層砌體梁結構進行簡化處理，見圖3b).應用多跨梁理論分析結構的穩定性，根據實際情況，可以將煤柱煤巖體分為兩種狀態：1) 區段煤柱內存在一定寬度的彈性核區，具有較好的支撐能力，即煤柱內煤巖體處于彈性狀態。2) 區段保護煤柱煤巖體完全破壞，喪失了其支撐能力。通過計算可以得到大巷頂板巖層B點的撓度(x=x2)：

(1)

為了方便計算進行如下簡化：

(2)

則可將式(1)化簡為：

WB=bP+cF+dQ+aq′

(3)

煤柱上覆巖層在均布載荷q′及集中載荷Q、P和F的作用下進行彎曲變化，當保護煤柱處于彈性狀態時有：

F=K|wB|=-KwB

(4)

F=-KdQ-Kaq′-Kbp-KcF

(5)

通過以上計算可知，當煤柱處于彈性狀態下時F>Fs，此時煤柱具有足夠的支撐能力，能夠有效地保證巷道圍巖的穩定性。若區段保護煤柱全部變為塑性狀態，則F=Fs，這時區段煤柱已經失去大部分的支撐能力，穩定性非常差，就必須采取合理的補強措施，但是需要花費大量的人力物力，不夠經濟。因此，區段保護煤柱寬度的合理性在于是否能使區段煤柱中存在一定寬度的彈性核，使其承受上覆巖層的載荷，在工作面回采期間保證巷道的穩定性，將圍巖變形控制在合理的范圍內。為了確定能夠滿足上述要求的合理煤柱寬度，根據工作面情況分析研究煤柱寬度。

4 合理區段煤柱寬度模擬研究分析

利用FLAC3D軟件對潞安黑龍煤業2103工作面進行數值模擬[4]，研究分析區段煤柱內圍巖塑性區的發育情況，據此設計合理的煤柱寬度保證巷道圍巖的穩定性。黑龍煤業10+11#煤層平均厚度4.8 m，回采巷道斷面高度為3.8 m，寬4.5 m. 10+11#煤層平均埋深為160 m，上覆巖層平均容重為2.5×10 kN/m，垂直方向上施加的均布載荷P=(埋深-頂板厚度)×容重=3.5×103kN. 模擬方案為：在2101工作面回采后，2103工作面回采留設不同寬度的區段煤柱(11～21 m，2.0 m為一個梯度)，觀察兩個工作面回采后區段煤柱的應力狀態。不同寬度區段煤柱的塑性區分布結果見圖4.

由圖4可知，煤柱兩側工作面回采引起煤柱內的應力重新分布，煤柱內應力過大產生一定范圍的塑性破壞區，區段煤柱寬度為13～21 m時，煤柱內存在一定寬度的彈性區域，也存在一定的塑性區域，此時煤柱仍然具有較好的支承能力，能夠保證巷道的穩定性；煤柱寬度為15～17 m時，煤柱內部彈性核區的寬度為7.5～9.0 m，既有足夠的支承能力，又能提高工作面采出率；煤柱寬度大于17 m時，彈性核區寬度較大，選擇過于保守，不符合綠色高效開采的目的；當煤柱寬度減小為11 m時，煤柱靠近底板的區域塑性破壞貫通，煤柱喪失了支承能力，無法保證巷道的穩定性。由此可知，合理的煤柱寬度應為17 m左右。結合現場實測結果、理論分析和數值模擬分析，綜合考慮安全、經濟多方面因素后，確定合理的煤柱寬度為17 m左右。

5 區段煤柱優化后現場工業試驗

通過以上分析研究，最終在2103工作面運輸順槽與2105工作面回風順槽間區段煤柱寬度留設為17 m，同比減小了13 m. 在2103工作面回采期間對巷道圍巖的變形情況進行觀測，整理后的結果見圖5.

圖5 巷道圍巖變形曲線圖

由圖5a)可以看出，2103工作面回采期間運輸順槽頂板最大下沉量為48 mm，兩幫最大移近量為20 mm，在其服務期間圍巖穩定性非常好。2103工作面回采引起2105回風順槽變形。由圖5b)可知，頂板下沉量維持在40 mm以下，兩幫移近量維持在25 mm以下，巷道圍巖穩定。根據工作面回采期間巷道圍巖的變形情況可知，區段煤柱寬度減小為17 m能夠滿足生產的需求。

6 結 論

經過現場實測，區段煤柱寬度為30 m時，靠近采空區一側煤柱內塑性破壞深度為3.0～4.5 m，相鄰工作面一側破壞深度為2.0～2.5 m，區段煤柱穩定性非常好，煤柱寬度過大。經過理論分析和數值模擬，確定潞安黑龍煤業合理煤柱寬度應為15～17 m，現場應用及觀測結果表明，17.0 m區段煤柱最安全、合理。