近距離煤層沿空掘巷煤柱合理留設寬度研究

李俊星

(太原煤炭氣化(集團)有限責任公司，山西 太原 030006)

近年來，隨著開采技術及采掘裝備水平的顯著提高，極大地提升了我國煤炭開采的速度及產量。為保障正常的回采工作面接替，避免相鄰工作面間的干擾，有時回采工作面間采用跳采解決此問題，留下了許多形式各異的孤島工作面。特別是對于近距離煤層群孤島工作面開采而言，由于其兩側或多側均為采空區，因此在其回采過程中呈現出較大的應力集中，使得圍巖破壞程度較大，對工作面的安全高效生產造成了極大威脅。因此，需要對近距離煤層孤島工作面的開采方式和煤柱合理留設寬度進行研究，保證其回采巷道圍巖的穩定性，從而實現孤島工作面的高效安全回采。

1 孤島工作面概況

華苑煤業位于山西省晉中市靈石縣兩渡鎮境內，隸屬太原煤炭氣化(集團)有限責任公司，產能90萬t/a，井田走向長2.9 km，傾向寬2.1 km，面積5.903 3 km2。礦井采用斜井開拓方式，布置有主斜井、副斜井、回風立井和行人斜井等4個井筒，為低瓦斯礦井，水文地質類型中等，目前開采9號、10號煤層。

10202孤島工作面位于二采軌道大巷西南，標高480～550 m，工作面西北面與首采的10201工作面、9201工作面采空區相鄰，西南面為村莊保安煤柱邊界，工作面東北面與10203工作面、9203工作面采空區相鄰，蓋山厚度為330.1～484.7 m。所采10號煤層厚度為3.34～4.75 m，平均4.23 m，煤層傾角5～9°。9號煤層平均厚度1.12 m，與10號煤層的層間距為4.35～6.21 m，平均5.32 m。10號煤層直接頂(即9號、10號煤層之間巖層)為砂質泥巖，直接底為砂質泥巖，平均厚度2.23 m。10號煤層瓦斯含量最大值小于4 m3/t，瓦斯類型為簡單。工作面可采長度為2 000 m，工作面長度為198.5 m。

目前，孤島工作面回采巷道主要有留煤柱護巷、沿空留巷和沿空掘巷三種布置形式。其中，沿空掘巷作為孤島工作面開采巷道布置的一種方式，因采出率高等優點而被廣泛應用，又可以分為完全和窄煤柱兩種沿空掘巷方式。完全沿空掘巷存在漏風、透水等諸多缺點，制約了其推廣應用；對于窄煤柱沿空掘巷，留設合理的煤柱寬度后，不但能夠使回采巷道處在應力降低區域內利于圍巖控制，而且能夠使本區段工作面開采免受上區段采空區中積水、瓦斯等不利因素的影響。因此，本文將窄煤柱沿空掘巷應用于華苑煤業近距離煤層孤島工作面當中，對煤柱的合理留設寬度進行了研究。

2 數值模擬分析

2.1 數值模擬模型

本文研究對象是10202工作面沿空掘巷煤柱的合理留設寬度，結合10202工作面的所處位置，10202工作面的膠帶巷和軌道巷所處應力環境近似一致。因此，為加快計算結果，在研究過程中，文章僅根據實際情況選取10202工作面軌道巷的應力環境建模研究。表1為數值模擬模型巖石力學參數統計表。

表1 數值模擬模型巖石力學參數統計

采用FLAC3D數值模擬軟件，以現場實際地質情況為基礎，建立數值計算模型，模型的尺寸為408.6 m×300 m×95.8 m。根據10202工作面埋深情況，將均布載荷施加于數值模型上部邊界，并將數值模型其余邊界固定，煤層及巖層的本構模型采用Mohr-Coulomb模型，見圖1。

圖1 數值模擬模型

2.2 煤柱合理留設寬度分析

由于10202工作面的膠帶巷和軌道巷位于9號煤層遺留煤柱的下方，分別位于10203工作面、10201工作面覆巖穩定后的側向支承壓力增高區，受9號煤遺留區段煤柱支承應力疊加作用，且后期又要經受9202工作面和10202工作面采動影響，巷道頂底板和兩幫承受較大垂直壓力，巷道變形大，維護困難。為了更好地對巷道進行維護、減少資源浪費，需要確定10202膠帶巷和10202軌道巷的合理煤柱留設寬度。

擬定對4 m、6 m、10 m三種不同煤柱留設寬度條件下，從垂直應力分布、圍巖變形情況及圍巖塑性區分布等三個方面，對煤柱留設情況進行分析，從而確定出最為合理的煤柱寬度。

2.2.1 垂直應力分析

在不同煤柱留設寬度條件下，10202工作面軌道巷與10203工作面采空區之間的垂直應力分布規律如圖2所示。

從圖2中可以看到，沿空巷道挖掘后，側向承應力的峰值位置將轉移到煤體的深處，且煤柱越寬，其峰值位置將離采空區越遠。當煤柱寬為4 m時，沿空巷道兩側所受垂直應力較小，煤柱幫內的垂直應力峰值約為13.7 MPa，巷道位于應力降低區域，利于巷道的圍巖控制及維護；隨著煤柱寬度的增大，沿空巷道兩側所受的垂直應力也會隨之增大，當煤柱寬度為6 m時，其煤柱幫內相應的垂直應力峰值約為16.9 m，盡管實體煤幫支承應力超過原巖應力，但其數值均較小，巷道能夠位于應力降低、增大兩個區域的交匯位置，利于巷道的圍巖控制及維護；當煤柱寬度為10 m時，其煤柱幫內相應的垂直應力峰值約為32.1 m，遠超過原巖應力，巷道的圍巖控制及維護較為困難。

圖2 不同煤柱留設寬度條件下的垂直應力云圖

結合以上分析，10202工作面軌道巷煤柱留設應盡量窄，此時在上覆9號煤層遺留煤柱部分旋轉下沉于10203采空區，煤柱上方垂直應力集中程度較小。故確定現場留設4～6 m煤柱較為合理。

2.2.2 巷道圍巖位移分析

在不同煤柱留設寬度條件下，10202軌道巷圍巖變形情況如圖3和圖4所示。

圖3 10202工作面軌道巷道圍巖水平位移云圖

從圖3、圖4中可以看到，煤柱寬度由4 m增加到10 m過程中，巷道頂板位移和實體煤幫位移呈現減少的變化趨勢，煤柱寬度從4 m到6 m時，巷道頂板位移和實體煤幫位移分別減少了16 mm和44 mm；隨著煤柱加寬，巷道頂板位移和實體煤幫位移顯著減少。煤柱寬度由4 m增加到10 m的過程中，巷道煤柱幫位移呈現先增大后減少的趨勢，在煤柱寬度為6 m時，巷道煤柱幫位移達到頂峰。依據巷道變形判斷覆巖穩定時，煤柱寬度為6～10 m最為合理。

圖4 110202工作面軌道巷道圍巖垂直位移云圖

2.2.3 巷道圍巖位移分析

在不同煤柱留設寬度條件下，10202軌道巷道圍巖塑性區分布情況如圖5所示。

圖5 10202工作面軌道巷道圍巖塑性區分布云圖

從圖5中可以看到，隨著煤柱加寬，10202工作面軌道巷道圍巖塑性區也會顯著增大。與此同時，煤柱內剪切破壞范圍也隨之增大。因而依據巷道塑性區分布，煤柱寬度為4～6 m最為合理。綜合上述三個方面的分析，最終確定煤柱留設寬度為6 m。

3 結 語

在現場布置華苑煤業10202工作面時，將兩條巷道留設煤柱寬度原先沿用的20 m縮減為6 m。目前該工作面采用沿空掘巷窄煤柱開采方法并配合水力預裂技術手段后正在順利回采中，兩條巷道圍巖較為穩定，易于維護控制，取得了良好的現場應用效果。按照本文研究成果，該工作面使用沿空掘巷窄煤柱開采方法后，預計可增加煤炭開采量33.64萬t，按照目前煤炭價格824元/t、回收率50%計算，預計可多創造經濟效益13 859.68萬元。華苑煤業10號煤層沿空掘巷窄煤柱開采的成功應用，對礦井其他孤島工作面的開采具有良好的借鑒和指導作用，保證了孤島工作面回采巷道圍巖的穩定性，實現了孤島工作面的高效安全回采，可全面推廣到礦井其他10號煤層孤島工作面的開采當中。