近距離煤層開采區段煤柱留設尺寸研究

郭 路

(晉城煤業集團 寺河煤礦二號井， 山西 晉城 048000)

近距離煤層開采時，上煤層回采完畢后殘留的煤柱會形成應力集中，不僅會造成煤柱的破壞，若相鄰煤層間距較小時，還會影響下煤層工作面回采巷道的穩定[1]. 上煤層回采后采空區和殘留煤柱的影響會導致下煤層回采礦壓顯現比單一煤層開采時更劇烈，巷道圍巖變形破壞程度加劇，支護更加困難[2-3]. 因此，近距離煤層開采時，殘留煤柱的尺寸影響下煤層回采巷道的布置和穩定性，應當使下煤層回采巷道布置在煤柱應力降低區內。

1 工作面概況

寺河礦15#煤、3#煤和9#煤結構簡單，煤層平均厚度分別為2.66 m、1.52 m、6.31 m，3#煤位于9#煤上方約60 m，9#煤位于15#煤上方約28 m. 153301工作面為一五三盤區首采面，工作面地面標高843～972 m，走向長度669.5 m，傾向長度136 m. 工作面上方約28 m為97301、97302采空區，上方約88 m為小煤窯采空區。153301工作面受9#煤區段煤柱的影響，兩巷局部區段圍巖破壞嚴重，其中靠煤壁一側破壞情況更為嚴重，頂板破壞程度比兩幫小很多，主要原因是由于9#煤殘留煤柱在底板形成應力集中，導致巷道兩幫破壞嚴重。

2 煤柱底板應力分析

近距離煤層回采時，上部煤層回采后會打破原有的應力平衡狀態，不但造成工作面周圍形成支承壓力，還會使頂板和兩幫的應力逐漸向底板傳遞，導致工作面底板形成應力集中[4]. 由于相鄰煤層之間存在殘留煤柱，底板應力會逐漸向煤柱集中，在留設煤柱下方形成應力增高區，而上煤層工作面距煤柱一定距離的采空區下方反而形成應力降低區，在該區域布置下，煤層工作面回采巷道能夠提高巷道的穩定性，減小圍巖變形破壞程度，更有利于下煤層工作面回采。殘留煤柱底板應力分布見圖1[5-6].

圖1 煤柱底板應力分布示意圖

上煤層工作面回采后，上覆巖層呈現周期性垮落。上覆巖層垮落后充填采空區，但是采空區邊緣位置上覆巖層深入煤柱和前方煤體，使上覆巖層出現長時間懸頂狀態，導致上覆巖層的重力傳遞至煤柱和工作面前方煤體，在該區域應力出現集中，形成應力增高區。隨著集中的應力不斷增加，煤柱由彈性狀態轉化為塑性狀態，煤柱承載能力降低，巷道圍巖開始出現變形破壞。

3 煤柱留設尺寸數值模擬

3.1 模擬方案

由于煤柱留設尺寸不同，應力集中程度也有所不同。因此，采用UDEC2D模擬軟件分別模擬留設5 m、10 m、15 m、20 m煤柱時底板應力集中系數，從而得到寺河礦9#煤和15#煤之間最優煤柱尺寸。根據寺河礦巖層性質設定模型參數，建立500 m×100 m模型，模型上方施加5 MPa應力荷載。模型各巖層力學參數見表1.

表1 模型各巖層力學參數表

3.2 模擬結果分析

采用UDEC2D分別模擬留設5 m、10 m、15 m、20 m煤柱時底板應力集中系數，見圖2.

圖2 不同煤柱尺寸應力集中系數示意圖

由圖2可知，受上覆巖層懸頂因素影響，煤柱下方出現應力增高區，距煤柱一定距離的采空區下方形成應力降低區。根據留設不同煤柱尺寸應力集中系數可知，當分別留設5 m、10 m、15 m、20 m時，應力降低區分別出現在距煤柱中心線水平距離9 m、13 m、17 m、21 m處。隨著留設煤柱寬度的增加，應力增高區影響范圍逐漸增大的同時，應力集中系數也逐漸增大。當分別留設5 m、10 m、15 m、20 m時，應力集中系數最大值分別為6、10.5、12、14.5.

根據煤柱底板應力集中系數模擬結果可知，上煤層回采完畢后，煤柱底板會形成應力增高區，并且隨著煤柱寬度的增大，應力增高區影響范圍逐漸增大，應力集中系數也逐漸增大。下煤層巷道應當布置在距煤柱一定距離采空區下的應力降低區內，才能提高巷道圍巖穩定性，保證下煤層工作面的安全回采。

4 巷道圍巖變形分析

近距離煤層回采受區段煤柱和采空區影響，下煤層工作面回采巷道布置在應力增高區范圍內，巷道圍巖將出現較大的變形破壞。采用UDEC2D對153301工作面巷道圍巖變形情況進行模擬，得到上煤層開采后區段煤柱合理尺寸，為下煤層工作面安全回采提供依據。

采用UDEC2D軟件，通過在兩巷設置監測點，分別監測留設5 m、10 m、15 m、20 m區段煤柱，下煤層153301工作面兩巷圍巖變形量見圖3.

圖3 153301工作面兩巷圍巖變形量曲線圖

由圖3可知，當巷道布置在區段煤柱應力增高區范圍外時，巷道圍巖變形量小，最大頂底板和兩幫移近量為350～360 mm. 巷道布置在煤柱應力增高區范圍內時，隨著煤柱寬度的增加，巷道頂底板和兩幫移近量逐漸增大，當煤柱寬度增大到20 m時，受高集中應力的影響，最大頂底板移近量達到2 000 mm，巷道頂底板破壞程度大。最大頂底板變形量是巷道布置在區段煤柱應力增高區范圍外的5.7倍，是留設5 m區段煤柱時的2.5倍。

在留設煤柱尺寸一定的情況下，隨著距工作面距離的增大，巷道頂底板和兩幫移近量逐漸減小，0～50 m巷道圍巖變形量大，90 m以后巷道變形量較小。由此可以判定，153301工作面超前支承壓力影響范圍為90 m，且0～50 m支承應力影響劇烈。

下煤層巷道布置在區段煤柱應力增高區范圍外，巷道圍巖變形量小。因此，下煤層巷道應當布置在應力降低區內，減小集中應力對巷道圍巖的破壞。根據模擬和監測結果可知，在保證煤柱穩定的情況下，區段煤柱寬度應盡量減小，減小應力增高區的范圍和圍巖變形量，使巷道布置在采空區側向支承壓力降低區。巷道布置后，為了提高圍巖承載能力，應當增強巷道支護強度，合理設計錨網索支護參數的情況下，采用二次注漿加固，提高巷道圍巖的承載能力，保證礦井的安全生產。

5 結 論

1) 以寺河礦近距離煤層回采工作面153301為研究對象，對近距離煤層開采時煤柱底板應力進行分析，受上覆巖層重力等因素影響，區段煤柱下方形成應力增高區，而距煤柱一定距離的采空區下方反而形成應力降低區，在該區域布置下煤層工作面回采巷道，能夠提高巷道的穩定性，減小圍巖變形破壞程度。

2) 采用UDEC2D模擬軟件可知，分別留設5 m、10 m、15 m、20 m區段煤柱時，底板應力集中系數最大值分別為6、10.5、12、14.5，隨著留設煤柱寬的增加，應力增高區影響范圍逐漸增大的同時，應力集中系數也逐漸增大。

3) 采用UDEC2D軟件，在兩巷設置監測點，監測分別留設5 m、10 m、15 m、20 m區段煤柱時，工作面兩巷圍巖變形量，根據監測結果可知，布置在區段煤柱影響區域外的巷道圍巖變形量小。布置煤柱影響范圍內巷道，隨著煤柱寬度的增加變形量增大，當留設煤柱為20 m時，圍巖變形量達到2 000 mm，嚴重影響工作面安全回采。