寧武煤田5#煤層區段煤柱留設研究

梁國偉

（霍州煤電集團汾源煤業有限公司）

近年來，隨著煤礦開采技術的提高，我國煤礦開采速度與質量顯著提升。寧武煤田5#煤層工作面屬于大傾角綜放工作面。在經過基本頂初次垮落后，隨著工作面的不斷推進，工作面上覆巖層經歷“懸露—斷裂—轉動—下沉觸矸”的周期性斷裂過程。周而復始的周期破斷將伴隨整個工作面回采過程，造成工作面不同位置礦壓顯現頻繁。煤巖開采過程中，留設煤柱可以有效保護構筑物、鐵路、水體及主要井巷等不受地下開采的有害影響［1-6］。因此，結合開采工作面實際情況，對寧武煤田5#煤層工作面煤柱留設的合理寬度進行研究，對保證巷道圍巖穩定性、提高開采安全性具有重要意義。

1 頂底板破壞范圍

汾源煤業5#煤層的底板巖石為泥巖，頂板為泥質灰巖，使用經驗公式確定5#煤層底板破壞深度：

式中，H為工作面底板破壞深度，m；L為工作面傾斜長度，取100 m。

最大底板破壞深度與工作面的傾斜長度呈一元線性關系，由此可得5-101工作面的最大底板破壞深度為11.7 m。

鑒于實際開采條件，工作面設計采用傾斜—圓弧過渡—水平布置方式，控制設備下滑。運輸順槽沿煤層頂板掘進，回風順槽沿煤層底板破底掘進。根據煤巖物理力學測試結果，利用FLAC3D數值模擬，對上述工作面布置情況下區段煤柱的合理尺寸進行確定。

選擇5-101工作面為背景，建立數值計算模型，煤層及其頂底板巖層厚度均參考礦方鉆孔柱狀圖顯示的平均厚度確定，模型模擬高度為124 m，其中模擬頂板厚度為74.5 m，底板厚度為42 m，煤層平均厚度為10.5 m，采高按照2.6 m考慮，放煤高度為7.9 m；模型傾向長度為105 m，走向推進長度為150 m，煤層傾角取5-101工作面最大傾角28°，所建立模型如圖1所示，垂直應力分布云圖如圖2所示。

分別模擬了工作面沿走向推進16，32，48，64，80和96 m情況下，工作面沿傾斜方向頂底板破壞高度（深度），得到如圖3所示的模擬結果。

分析圖3可知，沿工作面走向方向，當工作面推進距離為16 m時，頂煤及5 m的頂板巖層發生拉伸破壞，剪切破壞高度約為23 m；底板拉伸破壞深度為6.6 m，剪切破壞深度為20 m。當工作面推進距離為32 m時，除頂煤外，還有16 m的頂板巖層發生拉伸破壞，剪切破壞高度為22 m；底板拉伸破壞深度為6.6m，剪切破壞深度為20 m。當工作面推進距離為48 m時，頂板拉伸破壞范圍增加到25 m，剪切破壞范圍繼續發展擴大；底板拉伸破壞深度為6.6 m，剪切破壞深度為20 m。當工作面推進距離為64 m時，頂板拉伸破壞范圍增加到27 m，剪切破壞范圍為29 m；底板拉伸破壞深度為6.6 m，剪切破壞深度為20 m。

根據以上模擬分析，可知5#煤層綜放開采條件下底板破壞深度為6.6 m，為了降低下工作面上順槽的掘進難度和維護成本，考慮1.5倍的安全系數，設計下工作面上順槽應布置在距離上工作面下順槽垂深10 m的位置，考慮煤層傾角為30°的影響，則區段煤柱斜長為20 m。根據5-101礦壓分析結果可知，由于工作面矸石的滾落充填作用，大傾角綜放工作面整體礦壓顯現較小，下工作面掘進受上工作面的動壓影響相對較小，因此設計區段煤柱斜長25 m是安全可靠的。

2 煤柱寬度理論計算分析

回采與開掘巷道在煤柱邊緣處的集中應力比自重應力（γH）大數倍。對一次采全厚的綜放工作面護巷煤柱，彈性核的寬度取2倍巷道高度（h）。所以綜放工作面區段煤柱保持穩定狀態的寬度（B）只要保證B≥R0+2h+R（R0、R分別為煤柱兩側塑性區寬度，m；h為巷道高度，m），即可保證護巷煤柱穩定。

回采工作面推進后，采煤工作面周邊煤柱體應力重新分布。根據極限平衡理論可求得回采工作面周邊煤體的塑性區寬度R0為

式中，M為煤層開采厚度，m；λ為側壓系數，λ=μ/（1-μ），μ為泊松比，λ=0.22/（1-0.22）=0.282；φ0為煤體交界面內摩擦角，取26.84°；C0為煤體交界面黏聚力，取0.73 MPa；K為回采引起的應力集中系數，按1.5進行計算；H為開采深度，按400 m考慮；γ為上覆巖層平均容重，取25 kN/m3。

故可以求出回采引起的塑性區寬度為R0=9.3m。B≥R0+2h+R=25.6 m。

3 煤柱寬度數值模擬分析

各巖層根據T3鉆孔柱狀圖建立，把相近的巖層合并考慮。模擬過程中，底板厚度為60 m。煤層厚度為10.5 m，煤層傾角為35°。模型上部巖層厚度為300 m。按照等效載荷代替：

式中，H為煤層上方煤巖層的厚度，取220 m；ρ為相應的煤巖層密度，取平均2 500 kg/m3；g為重力加速度，取9.81 m/s2。

模型立面和底面均采用豎向固定約束。煤巖層物理力學性能參數由試驗測定，所建立模型和應力平衡如圖4所示。

區段煤柱留設寬度分別為15，20，25，30，35和40 m。區段煤柱的破壞狀態見圖5，區段煤柱應力分布情況見圖6。

從圖6可見，受工作面傾角影響，煤柱兩側內部塑性區破壞范圍下側達到10 m左右，上側達到6 m左右，至煤柱寬度為20 m時，塑性破壞區已經能夠連 通，煤柱繼續減小時，塑性破壞導致的煤壁變形急劇增加。從破壞區域來看，25 m煤柱尚有部分未產生塑性破壞區域，區段煤柱在下一個工作面回采前能夠保持相對完好，不會快速破壞失效。綜合考慮，區段煤柱寬度應大于25 m為宜。

從圖6可見，2個工作面均回采后，隨區段煤柱的減小，煤柱內的應力集中從雙峰狀逐漸轉變為單峰狀，至25 m時成為明顯單峰狀，20 m時由于破壞嚴重，單峰應力集中呈降低趨勢。

理論計算的煤柱留設寬度為25.6 m，綜合頂底板破壞規律及礦壓分析的結果，區段煤柱應力狀態主要受頂底板巖石及工作面長度影響，故取數值模擬結果。

綜上分析可知，區段煤柱留設寬度應大于20 m，以不小于25 m為宜。

4 電磁波CT測試

地下電磁波法層析技術（CT）分析測試區域不同范圍的電磁波衰減系數差異，識別煤巖體分界、斷層、火成巖侵入、溶洞等特殊構造。

4.1 探測設備

探測設備選用JW－6型地下高頻電磁波CT系統，設備組件主要包括處理軟件、接收機、發射機、天線，安裝桿。設備由中國地質科學院物化探研究所研發制造。

4.2 數據采集系統主要技術指標

JW-6型地下電磁波CT系統的主要技術指標如下。

（1）掃頻范圍：0.5～32 MHz。

（2）掃頻間隔：0.1～9.9 MHz。

（3）發射機輸出脈沖功率：10 W。

（4）接收機測量范圍：0.2μV～30 mV。

（5）接收機輸入噪聲電平：＜0.2μV。

（6）接收機測量誤差：-120～（-30±3）dB。

4.3 布孔方案

由于煤層位于5-1011巷下方，故在5-1012巷外側對煤柱進行電磁波CT測試，共施工3個探測鉆孔，孔深10 m，鉆孔間距10 m，1號孔位于工作面位置，具體布置如圖7。

4.4 測試

測試分2次進行，第一次以1#孔為發射孔，2#孔為接收孔。第二次以2#孔為發射孔，3#孔為接收孔。探測了從工作面先前20 m范圍內煤體電磁波的衰減系數情況，如圖8所示。

根據圖8所示，鉆孔深度0～4 m，電磁波衰減系數為10～17 dB/m，為電磁波衰減異常區，該區域內由于應力集中導致煤體發生屈服。破碎后，其內部形成大量裂隙，說明煤體0～4 m范圍內已經出現了煤體破壞現象。 鉆孔深度4～8 m，電磁波衰減系數為6～10 dB/m，該區域內應力集中程度較外側低，煤體出現了塑性變形，內部開始出現裂隙，但整體性未受到破壞，仍具有承載能力。

鉆孔深度8～10 m，電磁波衰減系數為3～5 dB/m，為電磁波衰減系數正常區域，說明煤體8 m范圍內仍處于原始狀態，其應力集中程度未破壞煤體，煤體較為完整。

綜上，電磁波CT探測結果顯示，煤柱表面至8 m深度范圍內為煤柱出現塑性及破壞變形的區域，理論上煤柱寬度為16 m即可保證煤柱的穩定性，但實際生產中為確保煤柱的穩定性，其中心部分保持穩定的部分應大于等于其塑性變形區域，故煤柱的合理寬度定為25 m。

5 結論

本研究基于5-101工作面礦壓分析，經理論計算、數值模擬綜合分析及電磁波CT探測，確定汾源煤業首采區南翼及2采區區段煤柱留設寬度以不小于25 m為宜。