福達煤礦區段小煤柱合理寬度留設研究

李 峰

（山西三元福達煤業有限公司，山西 長治 046300）

區段煤柱留設寬度一直是煤礦生產組織中的最重要參數，不同的煤層賦存條件、采煤方法及工藝對區段煤柱的留設均有不同的要求，目前國內大多數生產煤礦主要是根據經驗確定。福達煤礦區段煤柱留設寬度一般在20 m 左右，不僅造成了煤炭資源的浪費，還會在回采后的區段煤柱形成高應力集中區域，易造成巷道圍巖變形、冒頂等問題。因此，為提高煤炭資源采出率和降低工作面巷道支護難度，有必要對區段煤柱留設寬度進行研究和優化[1-7]。

1 概況

15204 工作面總體為一走向NE、傾向NW 的單斜構造，產狀穩定，煤層傾角10°左右。根據地質資料及實際揭露情況，巷道圍巖無明顯的軟弱巖層，圍巖強度高且穩定性好。15202 工作面運輸巷距開口600 m 處為X9 陷落柱影響區，對煤體完整性及區段煤柱留設構成不利影響。15204 工作面平面位置如圖1。

圖1 15204 工作面平面示意圖

2 現場實測及實驗室試驗

（1）煤體及頂板結構分析。根據15202 工作面運輸巷鉆孔窺視資料，通過分析可知在距孔口0～6 m 范圍內的砂質泥巖、細粒砂巖巖性較破碎，工作面回采過后易自然垮落。

15202 工作面運輸巷鉆孔窺視結果如圖2。

圖2 15204 運輸順槽窺視圖

（2）煤巖物理力學試驗。分別在15202 工作面運輸巷頂板上方10 m、18 m 處取芯進行巖石力學性質測試。試驗結果見表1。

表1 福達頂板巖石力學性質

由試驗結果可知，砂質泥巖頂板整體完整性較好，抗壓強度平均35.566 MPa，石灰巖頂板強度較高，平均抗壓強度達78.783 MPa。

3 煤柱合理留設寬度

煤柱的留設寬度主要與煤層所受壓力以及煤體強度有關，當煤層埋藏深、厚度大、圍巖較軟時，煤柱承受的壓力就較大；而煤柱強度主要取決于煤層的物理力學性質，并與煤柱的形狀尺寸、巷道的服務年限及支護情況有關。

區段保護煤柱的留設主要是考慮與采空區相鄰工作面巷道的支護問題，其留設寬度主要與回采過程中煤柱塑性區的破壞范圍有關。一般而言，受采動應力影響，煤柱本身塑性破壞區會發生變化，塑性破壞區影響范圍越大，煤柱破壞越嚴重，也就越不利于巷道支護。根據回采后區段煤柱上方形成應力的分布情況，應盡量避免將回采巷道布置在應力集中區附近，而留設區段小煤柱的目的就是把巷道布置在采空區邊緣低應力區，以降低巷道支護強度，提高煤炭采出率。

區段煤柱極限平衡區寬度的計算公式如下：

式中：m為煤柱高度，取4 m；Px為錨桿對煤柱的側向阻力，取15 MPa；λ為塑性區邊界面的側壓系數，取1.5；σx、σy分別為沿x 軸和y 軸方向上的應力，根據地應力測試結果，水平應力取18 MPa，垂直應力取12 MPa；K為塑性區邊界面應力集中系數，取1.5；γ為上覆巖層平均容重，取為0.025 MN/m3；C0為煤層粘聚力，考慮到受15202 工作面超前支承壓力、側向支承壓力及15204 工作面回風巷掘進動壓影響，其粘聚力應低于物理力學測試結果，因此煤層粘聚力取2.5 MPa；H為煤柱埋深，取400 m；φ為煤體內摩擦角，取28°。

將各值代入上式得出，福達煤礦小煤柱留設范圍內煤柱的極限平衡區的寬度為X1=1.65 m。

為避免殘余側向支承壓力對巷道圍巖影響，對護巷煤柱進行錨桿（索）支護，因此，錨桿（索）長度X2也是區段煤柱合理寬度影響因素之一。此外，考慮到其他影響區段煤柱未知因素，對區段煤柱設置一個安全系數X3。綜上，得到區段煤柱合理寬度公式如下：

B=X1+X2+X3（2）

式中：X1為煤柱塑性區寬度；X2為錨桿長度，取2.4 m；X3為煤柱安全系數，一般取0.15～0.4（X1+X2）。

經計算，區段煤柱合理寬度為B=4.7～5.7m，即15204 工作面合理小煤柱留設寬度為4.7～5.7 m。

4 數值模擬

采用FLAC3D數值模擬軟件對福達煤礦小煤柱合理留設寬度進行分析，分別模擬煤柱寬度4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 五種條件下煤柱及巷道圍巖塑性區變化及應力環境，模擬結果如圖3 ～圖5。

圖3 不同尺寸煤柱圍巖塑性區分布圖

圖4 不同尺寸煤柱圍巖垂直應力分布圖

圖5 不同尺寸煤柱圍巖水平應力分布圖

由模擬結果可知，從塑性變形來看，隨著煤柱尺寸的增加，煤柱一直處于塑性區范圍內，巷道圍巖塑性區破壞范圍逐漸降低，表明4～8 m 小煤柱均處在塑性變形區，但煤柱寬度的增大能夠在一定程度上降低巷道圍巖的塑性變形范圍。從圍巖應力環境可以看出，巷道上幫以垂直應力為主，在上幫的下部幫角位置出現明顯的應力集中，應力集中程度隨著煤柱寬度的增加逐步增大，當煤柱寬度由4 m增加到8 m 時，垂直應力峰值由7.2 MPa 增長至16.7 MPa；底板以水平應力為主，直接底主要呈現為壓應力，煤柱寬度7 m時底板水平應力達到17.9 MPa峰值，煤柱寬度8 m 時水平應力最低，為10.7 MPa，其余寬度煤柱時水平應力在14 MPa 左右。

5 結論

（1）由煤巖物理力學試驗結果可知，15204 工作面砂質泥巖頂板整體完整性較好，抗壓強度平均35.566 MPa，石灰巖頂板強度較高，平均抗壓強度達78.783 MPa。

（2）通過理論計算和采用數值模擬方法分析五種條件下煤柱的破壞特征及巷道應力環境可知，小煤柱巷道上幫存在垂直應力峰值區，主要位于下幫角處，隨著煤柱寬度的增加，應力峰值逐漸增大；底板主要受水平壓應力影響，應力峰值基本在14 MPa 以上，且影響范圍較大，當煤柱寬度為5 m 時，垂直應力峰值水平較低，上幫影響程度較低，底板最大水平應力影響范圍較小。結合理論計算結果，最終確定福達煤礦15#煤層15204 工作面小煤柱合理留設寬度為5 m。