龐龐塔特厚煤層區段煤柱寬度及穩定性研究

籍 曉 昕

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

龐龐塔9-101 綜放工作面即將回采結束，需進行下區段9-301 綜放工作面的準備作業。

圖1 工作面布置情況

9-301 綜放工作面所采煤層為9#煤層，平均厚度為11.8m，煤層內部含有夾矸，整體煤層為東西方向傾斜的緩傾斜煤層，平均傾角為24°；綜放工作面直接頂是5～7m 厚的泥質灰巖，內部裂隙發育，直接底為1～2m 厚的灰色泥巖。9-301 綜放工作面距上層煤層采空區平均50.63m，采用綜采放頂煤回采工藝，采放比為1：2.69，其中機采高度3.2m，放煤厚度為8.6m，一采一放，采用單論順序放煤，工作面布置如圖1 所示。為進一步提高9-301 工作面的采出率，確定運輸巷掘進施工時護巷煤柱的最優寬度，本文以9-301 工作面區段煤柱的合理留設寬度為背景展開研究。

2 理論計算

2.1 煤柱寬度最大值確定

查閱相關文獻[1,2]可知，煤柱因礦壓造成的變形量、煤柱的自身強度及煤柱實際高度成一定比例關系，關系如圖2 所示。觀察圖可知，當煤柱自身寬度與其高度的比值為3 時，煤柱的變形量則不會超過8mm/m，同時會隨著煤柱的強度保持增長的趨勢，這種情況下煤體會保持較好的的穩定性及完整性。因此基于此原因，在保持煤柱穩定的同時，盡可能節約煤炭資源，所留設的煤柱寬度與高度之比應小于3，結合龐龐塔9#煤層平均厚度，9-301 綜放工作面所留設煤柱寬度應不大于35.4m。

2.2 煤柱寬度最小住確定

對于煤柱本身來說，若其寬度較小，則會在工作面回采時，在受動壓影響的情況下，煤柱將會發生不可逆轉的破壞[3]，受到破壞后的煤柱，會對巷道的錨桿支護等帶來較大的影響；當區段煤柱失去其該有的承載能力時，巷道的穩定也將受到影響。因此，在進行對區段煤柱的寬度計算時，需要在其極限平衡條件下進行計算。如圖3 所示。

圖2 煤柱尺寸效應

圖3 煤柱寬度計算示意

根據煤柱極限平衡理論可知，區段煤柱留設的尺寸須滿足以下條件：

式中：B 為煤柱寬度，m；x0為采空區側塑性區寬度，6.6m；xl為工作面煤柱側錨支護有效長度，2.5m；xb—煤柱內部的彈性核區，xb=K（x0+xl）=0.5（6.6+2.5）=4.55m，將上述參數代入上式，則區段煤柱的合理尺寸應為：B≥13.65m

由上述分析可知，9-301 綜放面的區段煤柱合理尺寸應滿足以下條件：

3 數值模擬計算

3.1 模型建立

為確定留設煤柱最宜寬度，通過數值模擬分析不同寬度煤柱下煤體情況。根據龐龐塔煤礦現場取樣，通過力學試驗所得數據，同時考慮到煤層內節理及斷層等影響情況，實際圍巖力學強度應小于實驗所得參數，因此在進行數值模式時，為更加與實際情況向吻合，需要對模型所附參數進行一定折減。整體模型采用常用的摩爾-庫倫模型，計算時，給定模型邊界施加位移為0 的限制條件，X、Y、Z 方向位移均為0，全部模型共計66138 個單元。在實驗時，模擬的煤柱寬度分別設置為8.0m、10.0m、13.0m、15.0m、20.0m 和30.0m。

3.2 不同寬度煤柱應力分布

通過對不同寬度煤柱內部應力模擬，得到煤柱內部應力變化曲線，如圖4 所示。

圖4 回采期間不同寬度煤柱垂直應力分布特征

由圖4 可知，隨著煤柱寬度不斷擴大，煤柱內部的應力集中系數與峰值多會出現較為明顯的減小。在煤柱寬度小于10.0m 時，會隨著煤柱的寬度逐漸變大，其內部的應力集中系數與峰值會增大，但增長趨勢較為緩和；當煤柱的寬度大于10.0m 時，其內部的應力集中系數與峰值會降低，且降低的趨勢較為快速；在煤柱的寬度逐漸大于30.0m 的整個過程中，則其內部應力集中系數與峰值在減弱，且趨勢相當平緩。通過上述分析可以得出，煤柱在寬度15.0～20.0m之間，內部較為穩定，符合實際需求；而30.0m 寬度的煤柱雖然較為穩定，但在實際中對煤炭資源造成大量浪費，因此不宜選用30.0m 煤柱。

3.3 不同寬度煤柱下塑性區分布

9-301 綜放工作面在進行回采時，煤柱受回采動壓的二次影響，同時煤柱本身受到采空區一旁所形成的支撐壓力，在多種影響的情況下，若留設的煤柱寬度過小，則煤柱本身的穩定性將受到破壞。由模擬結果可知，如圖5 所示，在煤柱寬度在8.0m 和10.0m時，煤柱兩側的塑性區破壞會沿著煤柱寬度的方向進行，從而對整個煤柱造成影響，此時煤柱內部的的塑性區破壞會從外向內逐漸變弱，當煤柱難以承受支撐壓力對其造成的影響，從而造成煤柱不穩定。在煤柱寬度從13.0m 上升到30.0m，此時煤柱內部塑性區未完全聯通，巷道塑性區達到1～3m，采空區側塑性區達到1～6m，煤柱內部彈性區范圍是4.2m、9.1m、17.3m、27.4m，在彈性區的范圍逐漸增大，煤柱的自身承載能力也會逐漸增大。

圖5 回采時不同煤柱寬度下巷道塑性區演變規律

同時對塑性區與煤柱整體面比值特征統計進行分析，分析結果如圖6 所示，在圖中可以看出，煤煤柱寬度為8.0m、10.0m 時，塑性區與煤柱的整體面的比值超過60%，其中巷道側塑性區比值超過20%，而采空區側的比值超過40%，此時的煤柱已難以維持巷道穩定。在隨著煤柱的寬度逐漸增大，當寬度為13.0m 時，煤柱塑性區面與其整體面的比值會發生逐漸減小的趨勢，塑性區的的占比達到27.81%，巷道側占8.49%，采空區則為19.44%。當煤柱的寬度增加到15.0m 和20.0m 時，塑性區面與煤柱面占比為16.54%與6.25%，巷道側塑性區僅為3.89%與1.62%。當煤柱的寬度增加到30.0m 時，塑形區占3.58，巷道側塑性區則為1.28%。

圖6 不同寬度煤柱時塑性區面與煤柱面比值分布規律

通過數值模擬結果可知，達昂煤柱寬度為8.0m與10.0m 時，由于寬度較小，煤層上部巖層造成強大載荷與回采的動壓影響，會使得煤柱內部的塑性區發生貫通，煤柱已經失去穩定巷道的作用，對安全造成極大的危害；當煤柱寬度為13.0m 時，塑性區較之前占比較小了一半多；當煤柱的寬度設計為15.0m、20.0m 和30.0m 時，塑形區僅為16.8%、7.1%與3.2%，且巷道側的塑性區也小于10.0%。考慮到煤柱主要起到保持巷道穩定的作用，因此在此條件下，區段煤柱寬度取13.0m～20.0m 較為合理。

區段煤柱的留設，要在維持巷道穩定的前提下，盡可能的節約煤炭資源，增加煤礦回采率，在經過理論分析與數值模擬，基于煤礦實際情況等多種因素考慮，9-301 綜放工作面區段煤柱寬度設計為15m。

4 工程實踐

在掘進期間沿空掘巷時，采用高預應力錨桿索加多錨索，輔助以鋼帶桁架，同時在采空區處進行注漿。根據龐龐塔煤礦現場工作面的實際布置情況，對沿空掘巷圍巖穩定進行監測，來探究9-301 綜采工作面區段留設煤柱的穩定性及合理性。

在9-301 綜放工作面進行布置監測點時，為保證監測數據能較全面的反映巷道的實際情況，防止其他偶然因素造成的影響，決定在下順槽960m 處進行多點監測，監測斷面定為950m、960m、970m，分別對監測點標號為1#，2#，3#。在進行監測計進行安置時，嚴格按照所確定的點進行安置，不得出現誤差。監測數據如圖6 所示。

圖7 巷道表面位移監測

根據對沿空掘巷巷道圍巖變形進行監測，監測數據如圖7 所示，由圖可得在距離工作面80～100m 內，頂底板移進量達到23mm 左右，兩幫移進量達到20mm 左右；當在距離工作面30～80m 時，頂底板移進量最大達到140mm，兩幫移進量最大達到253mm；當距離工作面5～30m 時，頂底板移進量最大為213mm，而兩幫移進量最大為317mm。通過對巷道實際進行監測，監測結果表明巷道變形在允許范圍內，巷道可以正常使用，說明9-301 綜放工作面留設15m 區段煤柱可以維持巷道穩定。

5 結 論

本文以龐龐塔9-301 綜放工作面留設區段煤柱為背景，結合本礦資料，通過理論計算并輔以數值模擬軟件驗證等手段確定了合理的15m 寬的區段煤柱寬度。9-301 綜放工作面回采過程中，對下順槽圍巖進行表面位移監測，通過對現場監測數據分析研究，可知9-301 綜放工作面留設15m 區段煤柱可以維持巷道穩定，煤柱寬度合理，滿足工程需求。