串草圪旦煤礦末采煤柱寬度合理留設

程宏波，田 野

(1.榆林市榆陽區白鷺煤礦，陜西 榆林 719000；2.中國礦業大學(北京)能源與礦業學院，北京 100083)

在礦井的正常生產過程中，工作面的接續是保證礦井生產的一個重要因素，因此回撤通道位置的選擇至關重要，不僅可以影響礦井煤炭資源的回收率，還會影響設備的回撤速度。在工作面接近末采階段，受到超前支承應力的影響，需要在上山巷道、下山巷道與回撤通道之間留設一定的末采煤柱，若煤柱的尺寸留設過大，會導致資源的浪費，降低工作面的回采率，而過小的煤柱尺寸，則不利于回撤通道及上山巷道、下山大巷圍巖的穩定性，會使回撤通道發生變形，不利于設備的正常回撤，同時造成了上山巷道、下山大巷處于超前支承應力范圍內，造成巷道大變形的礦壓顯現特征，因此合理地確定末采煤柱尺寸對礦井的安全高效生產至關重要，煤柱留設尺寸的大小與煤柱強度、應力大小等具有直接關系[1-5]。谷拴成等[6-8]提出了末采煤柱與回撤通道煤柱載荷轉移的力學機理，給出了載荷計算公式合理的確定了煤柱寬度；馬偉等[9]通過地應力測量，確定了末采煤柱的合理尺寸；崔超[10]通過彈塑性力學理論與頂底離層監測相結合的方法，確定了工作面末采煤柱寬度；唐啟勝等[11]通過含斷層條件下超前支承應力的分布特征，結合圍巖松動儀確定末采煤柱的寬度；牛宏偉等[12]分析了不同煤柱寬度下巷道圍巖特征，確定了末采煤柱合理寬度為90 m時，大巷不受工作面回采影響；王志堅[13]對超前支承應力進行計算，結合數值模擬及現場實踐分析，對工作面末采煤柱進行優化，提高了煤炭的回采率。

以上研究均針對深埋煤層進行研究，基于上述眾多學者的研究，本文針對淺埋深放頂煤開采末采煤柱的合理留設，通過建立力學模型，分析末采煤柱應力分布及穩定性，合理確定了串草圪旦煤礦末采煤柱的寬度，并結合數值模擬對煤柱的合理寬度進行驗證，以及現場實踐，最大限度提高了資源的回收率，實現了礦井的安全高效生產，為同類型礦井末采煤柱留設提供借鑒。

1 地質生產條件

串草圪旦煤礦的礦區地形總體趨勢是西北高，東南低，一般地形標高在950～1 150 m之間，煤層平均埋深150 m。6102工作面位于一水平一帶區6煤層，煤層厚度10.80～15.70 m，平均厚12.90 m，末采煤柱留設60 m，如圖1所示。老頂為淺灰色細砂巖，厚度18.31 m，直接頂為褐灰色粉砂巖，厚度為3.30 m，直接底為褐灰色粉砂巖，厚度為4.86 m，老底為灰色粗砂巖，厚度為8.80 m。

圖1 工作面巷道布置方式

2 煤柱寬度留設的理論分析

當剩余煤柱寬度為w時，建立基本頂斷裂形式及對應的力學分析模型如圖2所示，R1為幫部破碎區寬度，w0為煤柱應力承載寬度，d為基本頂斷裂位置與非開采幫距離，h為采煤高度。在斷裂位置前方一定范圍內，基本頂受上覆巖層自重及工作面采空區轉移荷載作用而形成應力增高區，在該區域中基本頂受到集中系數為K的超前支承應力q1(x)作用。在斷裂位置后方一定范圍內，基本頂承受上部垮落帶巖層自重q2作用，對于淺埋煤層q2可以近似為上覆巖層重量。

圖2 煤柱力學分析模型

末采階段煤柱除受到上覆巖層P1的作用外，還受到回撤通道頂板及工作面頂板轉移荷載P2和P3的作用。回撤通道頂板可視為兩端固支梁，根據彈性力學[14]可得式(1)。

(1)

式中：q1(x)為斷裂前方超前支承應力，kPa；t為傾向長度，取t=1 m；f1為工作阻力，kPa；w1為聯絡道寬度，m。

工作面頂板視為懸臂梁，與剩余煤柱固結，得式(2)。

(2)

式中：q2為斷裂后方支承應力，kPa；f2為工作面支架工作阻力，kPa；w2為支架控頂距，m。

根據文獻[15]對剩余煤柱受上覆巖層荷載進行分析，可以將破斷后的基本頂對直接頂的作用力q2、回聯絡巷支承力f1及工作面支架工作阻力f2視為均布力，得到煤柱總載荷，見式(3)。

(3)

煤柱兩幫出現破碎區，根據摩爾-庫侖破壞準則，可以求得破碎區寬度，見式(4)。

(4)

式中：c為煤體黏聚力，kPa；φ為煤體內摩擦角，(°)；λ為側壓力系數。

根據文獻[16]推導得到超前支承應力分布，見式(5)。

(5)

式中：K為應力集中系數；H為上覆巖層厚度，m；γ為上覆巖層平均重度，kN/m3；h為開采高度，m；N0為煤體殘余支承強度。

由于破碎區受到嚴重破壞，計算煤柱承載力時可忽略該區域貢獻值，即煤柱上的平均應力見式(6)。

(6)

根據比涅烏斯基公式計算煤柱強度，見式(7)。

(7)

式中：σp為煤柱強度；σ1為立方體煤樣單軸抗壓強度。

令σa=σp，可以解出煤柱保持穩定性的臨界寬度w。通過式(3)～式(7)可求得末采煤柱寬度的下限寬度。將參數：K=2.5、t=1、H=150 m、h=3.6 m、f=0.6、d=10.5 m、γ=0.025 MN/m3、f1=0.6 MPa、f2=0 MPa、W1=5.5 m、W2=5 m、β=3.3、σc=6.9 MPa、φ=29°代入式(3)～式(7)可計算得到w1=15.00 m。

末采煤柱寬度的上限寬度計算見式(8)。

w2=R1+2M+R2

(8)

式中，M為煤層厚度。取M=12.9 m，可得w2=32.54 m。

綜上所述，末采煤柱寬度的上下限寬度在15.00～32.54 m之間。

3 數值模擬及結果分析

3.1 模型建立

基于串草圪旦煤礦6102工作面的地質條件，合并巖性相近的巖層，采用FLAC3D數值模擬軟件對串草圪旦煤礦6102工作面進行模擬，如圖3所示。模型尺寸長×寬×高=380 m×150 m×100 m。上部邊界施加近似等效均布載荷，四周邊界施加水平約束，下部邊界固定，采用Mohr-Coulomb屈服準則，上邊界施加載荷3.75 MPa模擬上覆巖重，巖石物理力學參數見表1。

圖3 數值計算模型

表1 巖石物理力學參數

3.2 數值模擬分析

圖4和圖5為工作面開采過程中工作面在不同位置時的超前應力分布，分析了采煤工作面超前支承應力的影響范圍。

圖4 工作面回采至不同位置的應力分布

由圖4和圖5可知，在工作面開采過程中，工作面的超前支承應力的范圍在35 m左右，當工作面距主輔聯絡巷的距離小于35 m時，超前支承應力開始波及聯絡巷。但對巷道圍巖穩定性的影響較小，可以進一步縮小末采煤柱的寬度，提高礦井的回采率。

圖5 工作面回采至不同位置的應力

依據末采煤柱的上下限寬度，模擬末采煤柱寬度分別為30.0 m、25.0 m、22.5 m、20.0 m和15.0 m等5種方案，其應力分布如圖6和圖7所示。

圖6 不同煤柱寬度的應力分布

圖7 不同煤柱寬度的應力

由圖6和圖7可知，隨著煤柱寬度的縮小，工作面前方的超前支承應力開始逐漸接近聯絡巷，聯絡巷側的峰值應力與工作面前方的峰值應力逐漸轉變為聯通的形式。隨著煤柱寬度的縮小，煤柱內部的應力開始升高。煤柱寬度大于22.5 m時，煤柱內的應力分布形式為半馬鞍形；煤柱寬度小于22.5 m時，煤柱內的應力分布形式為單峰值分布。

煤柱寬度分別為30.0 m、25.0 m、22.5 m、20.0 m和15.0 m時，塑性區分布如圖8所示。由圖8可知，隨著煤柱寬度的縮小，煤柱內的塑性區寬度不斷增大，彈性核區不斷減少，當煤柱寬度為15.0 m時，塑性區貫通煤柱。

圖8 不同煤柱寬度的塑性區分布

綜合分析工作面超前支承應力范圍、煤柱內的應力分布和塑性區分布，當煤柱寬為22.5 m時，煤柱內的應力分布形式為半馬鞍狀分布形式，工作面的超前支承應力對聯絡巷的影響較小，且煤柱內有寬度10 m左右的彈性核區，可保證煤柱的穩定性和阻止采空區內的瓦斯涌入聯絡巷內。

4 現場應用及效果分析

4.1 圍巖收斂分析

為了保證大巷在工作面回采期間的穩定性和安全性，最終確定6102工作面末采煤柱的寬度為23 m，三條大巷的頂板均采用錨桿+錨索+鋼筋網+噴漿的聯合支護技術，兩幫采用的錨桿+鋼筋網+噴漿的聯合支護技術，為了驗證末采煤柱留設的合理性，在距采空區側的運輸大巷布置三個測點，測點的布置如圖9所示。

圖9 主運大巷測點布置圖

當工作面距主運大巷為60 m范圍時，對大巷的圍巖變形量進行監測，結果如圖10所示。圖10(a)為伴隨工作面的回采，主運大巷頂底板的圍巖變形量，從圖10(a)可以看出，測點1和測點2受工作面回采的影響較大，頂底板的變形量達到了40 mm左右；而測點3受工作面回采的影響相對較小，頂底板變形量在6 mm左右。圖10(b)為主運大巷兩幫的圍巖變形量，從圖10(b)可以看出，測點1和測點2受工作面回采的影響較大，兩幫的變形量達到了30 mm左右；而測點3受工作面回采的影響相對較小，兩幫的變形量在3 mm左右。整體而言，圍巖的變形量相對較小，可以滿足礦井的安全生產。

圖10 主運大巷圍巖移近監測

4.2 經濟效益分析

6102工作面長度為150 m，煤層厚度為12.9 m，末采煤層由60 m降低為23 m時，取煤體密度1.35 t/m3，則末采煤炭損失量將減少9.66萬t，按照噸煤售價1 000元計算，將為礦井增收9 665萬元，將提高礦井的回采率及經濟效益，緩解采掘接替緊張的問題。

5 結 論

1)建立了末采煤柱力學模型，推導得出了末采煤柱寬度留設的理論公式，根據現場實際條件，確定了煤柱的上下限在15.00～32.54 m之間。

2)結合數值模擬分析，最終確定末采煤柱的寬度為23 m，較之前的60 m減少了37 m，提高了工作面回采率，經濟效益顯著。

3)經過現場圍巖變形檢測結果表明，工作面回采期間，主運大巷變形量較小，巷道穩定后的最大變形量在40 mm左右，巷道穩定性較好。