裕興煤業15 號煤層大巷保護煤柱回收工作面布置研究

李德軍

（山西煤炭運銷集團 裕興煤業有限公司，山西 晉城 048000）

1 概 況

山西煤炭運銷集團有限公司為主體企業兼并重組整合，由4 個整合關閉礦井、5 個十關閉礦井及1 個已關閉礦井等10 個礦井整合而成，兼并重組整合后企業核準名稱為山西煤炭運銷集團裕興煤業有限公司（裕興煤業），兼并重組前，井田內原各礦井均開采3 號煤，目前井田內3 號煤已基本采空。礦井接替煤層為15 號煤層，上距3 號煤層底板一般為91.61～115.31 m，煤層厚度3.10～5.39 m，含0～2 層夾矸，夾矸成分為泥巖或炭質泥巖，屬于全區穩定可采煤層。由于裕興煤業設計服務年限較長，現階段15 號煤層一采區可采資源已基本采掘完畢，為了提高采出率，設計對采區內西大巷保護煤柱進行回收。為實現煤柱工作面的安全高效生產，對其巷道布置和支護進行研究。

2 大巷保護煤柱變形破壞規律研究

大巷保護煤柱的采掘工程平面圖如圖1 所示。由圖1 可以看出，此次設計回收的大巷保護煤柱主要位于F19、F14 兩條正斷層之間，根據規劃，工作面總可采長度約400 m，工作面寬度為100～120 m，煤柱工作面兩側存在不同邊界條件的采空區，工作面回風平巷側與15101 工作面采空區相鄰，南側為15102～15105 工作面采空區，15102 采空區、15103 采空區、15104 采空區與西運輸大巷距離分別為37、5、35 m，15103 采空區拐點與大巷煤柱距離最小。由于煤柱回收工作面兩側鄰近的采空區為不同類型，因此采用數值模擬手段分別對其破壞規律進行研究。

圖1 煤柱工作面位置示意圖Fig.1 Coal pillar working face position diagram

2.1 采空區側破壞規律及巷道合理位置分析

為了確定煤柱回收工作面回風平巷的合理位置，進行煤柱內應力及塑性破壞區分布的研究，結合裕興煤業一采區西大巷實際工況，借助FLAC3D軟件建立孤島工作面模型，模擬計算得到煤柱走向與采空區推進方向平行時煤柱內塑性區及支承應力分布，如圖2 所示。

圖2 采空區側工作面破壞及應力分布Fig.2 Failure and stress distribution of goaf side working face

根據圖2 所示結果分析可知，煤柱內圍巖狀態可以看出，距采空區較近的區域受到采動影響較大，該部分煤體及頂底板圍巖發生塑性破壞，圍巖內支承應力變化幅度大，出現明顯的應力集中；在距離采空區較遠的煤柱深部區域，煤巖體圍巖狀態及應力狀態受采空區影響較小，煤巖體未發生塑性破壞，保持著原巖應力平衡狀態。根據采空區邊緣附近煤柱的塑性破壞情況及應力分布，可將其分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區域，Ⅰ區域距采空區邊緣0～11 m，該部分煤巖體結構松散破碎，但是煤巖體支承應力小于原巖應力，處于應力降低區，若將巷道布置在該區域，煤柱寬度較小，圍巖內應力較低，有利于巷道維護和縮小煤柱寬度；Ⅱ區域距采空區邊緣11～30 m，煤巖體基本未出現塑性破壞，支承應力高于原巖應力，將煤柱布置在該區域時，預計巷道圍巖在應力作用下將出現較大范圍的破壞變形，造成巷道支護及維護困難；Ⅲ區域距采空區邊緣30 m 以上，距離采空區較遠，圍巖未破壞，基本處于原巖應力狀態，預計巷道掘進及支護較方便，但是煤柱寬度過大，浪費資源嚴重。綜合分析可知，初步建議煤柱回收工作面回風平巷與采空區間煤柱寬度為4～9 m 較合理。

2.2 采空區拐點附近應力分布與變形規律

大巷煤柱煤回收工作面運輸平巷鄰近3 個與巷道軸向呈不同角度的采空區拐點，為掌握采空區拐點附近煤柱圍巖破壞及應力分布特征，借助FLAC3D 軟件建立圖3（a）所示數值模型。考慮15102 與15104 采空區平行且與煤柱距離基本相同，且15102 采空區面積最大，因此僅進行15202采空區的模擬，共建立15102 和15103 工作面采空區，在2 個采空區拐點處分別向大巷方向做水平垂線，以MN 測線為例得到拐點區域圍巖塑性區及應力變化規律，如圖3（b）、圖3（c）所示。

圖3 采空區拐點數值模擬結果Fig.3 Numerical simulation results of goaf inflection point

根據圖3 所示結果分析可知，在距采空區N拐點0～8 m，煤柱發生塑性破壞，支承應力迅速增大達到峰值；在距采空區N 拐點8～30 m，煤柱內部支承壓力由22.5 MPa 逐漸減小為10 MPa，煤柱內未出現塑性破壞；距采空區N 拐點30 m 以上區域，煤柱內支承應力穩定為10 MPa。對比HF 測線得到圍巖塑性區及支承應力分布情況可知，不同采空區拐點處煤柱內塑性區和應力分布規律基本相同，15102 采空區及15104 采空區拐點距西運輸大巷距離分別為35 m、37 m，均超出采空區拐點支承應力影響范圍，因此進行煤柱回收工作面運輸平巷合理布置位置研究時僅考慮15103 采空區的影響即可。

3 煤柱工作面回采巷道布置

為進一步確定裕興煤業15 號煤層一采區煤柱回收工作面巷道布置位置，以保證巷道穩定、資源采出率為原則，提出多種煤柱寬度方案，然后借助數值模擬軟件對掘巷期間圍巖應力及變形情況進行分析。

3.1 回風平巷合理位置分析

一采區大巷煤柱回收工作面回風平巷與15101采空區平行，設計7 種窄煤柱寬度，分別為3、4、5、6、8、10、15 m，回風平巷在不同煤柱寬度條件下，采用傳統錨網索支護方式掘進，取巷道腰線位置應力及位移為對象展開研究，結果如圖4 所示。煤柱寬度為3～6 m 時，應力峰值小于15 MPa；煤柱寬度為8、10、15 m 時，應力峰值分別達到20、25、30 MPa，煤柱寬度大于6 m 后，煤柱內應力集中程度迅速增大。當煤柱寬度小于6 m時，巷道內煤柱側水平位移為200 mm 左右；煤柱寬度為8、10、15 m 時，煤柱水平位移達到300 mm 左右。綜合考慮可知，回風平巷與15101 采空區留設4～6 m 煤柱最合理。

圖4 回風平巷煤柱內應力及水平位移模擬結果Fig.4 Simulation results of internal stress and horizontal displacement of coal pillar in return airway

3.2 運輸平巷合理位置分析

建立運輸平巷沿15103 采空區拐點邊緣處掘進的數值模型，采用傳統錨網索支護方式掘進，取巷道腰線位置應力及表面位移為對象展開研究，結果如圖5 及表1 所示。煤柱寬度為5 m 時，應力峰值為20.5 MPa，巷道處于應力增高區，巷道表面變形量較大；煤柱寬度為10 m 時，煤柱內應力開始呈雙峰分布，巷道煤柱幫內支承應力峰值達到20.5 MPa，巷道表面變形量同樣較大；煤柱寬度為20、30、40 m 時，煤柱內支承應力開始呈雙峰分布，巷道側峰值減小為15 MPa 左右，巷道表面變形量也顯著減小，利用巷道支護及穩定。由此說明，煤柱寬度大于20 m 后利于巷道掘進和維護工作，考慮到盡可能提高資源采出率，煤柱寬度為20 m 最合理可行。

表1 巷道表面變形量數值模擬結果Table 1 Numerical simulation results of roadway surface deformation

圖5 運輸平巷煤柱內垂直應力分布Fig.5 Vertical stress distribution in coal pillar of transport roadway

4 煤柱回收工作面巷道布置及應用效果

綜合前文數值模擬及理論分析結果，最終確定裕興煤業一采區大巷煤柱回收工作面布置如圖6 所示。回風平巷與15101 工作面采空區間煤柱寬度5 m，運輸平巷與15103 采空區拐點處垂直間距20 m，煤柱回收工作面寬度為100 m，可采長度為420 m。回風平巷與運輸順槽均采用矩形斷面寬×高=4.5 m×3.0 m，根據裕興煤業煤巷支護以往經驗，設計其錨網索支護參數。

圖6 一采區大巷煤柱回收工作面巷道布置Fig.6 Roadway layout of coal pillar recovery working face in No.1 mining area

巷道掘進期間監測表面變形情況來考察支護效果。根據礦壓監測數據，巷道圍巖大約在掘進40 d后穩定下來，回風平巷窄煤柱側內移變量多穩定在100～120 mm，實體煤幫內移量多為90～100 mm，頂板下沉多穩定在120～140 mm，底板無明顯底鼓變形，煤柱幫變形略大于實體煤幫變形，總體穩定性良好；運輸平巷煤柱側內移變量多穩定在90～100 mm，實體煤幫內移量多為110～120 mm，頂板下沉多穩定在100～120 mm，底板無明顯底鼓變形，實體煤幫變形量略大于煤柱幫，總體穩定性良好。根據監測結果分析可知，煤柱回收工作面巷道掘進期間變形滿足其使用需求，設計的巷道布置方式及支護參數可行。

5 結語

以裕興煤業一采區大巷保護煤柱回收工作面設計及施工為背景，借助數值模擬手段對采空區影響下煤柱內應力狀態及塑性破壞情況進行研究，鄰近15101 工作面采空區的回風平巷煤柱寬度為4～6 m較合適，靠近多個采空區拐點的運輸平巷煤柱寬度為20 m 以上最合適。由此確定回風平巷與15101采空區間煤柱寬度為5 m，運輸平巷與15103 采空區拐點間煤柱寬度為20 m，兩條順槽均采用錨網索支護方式，掘巷期間監測其表面變形情況，兩條順槽掘巷期間圍巖大約在掘進40 d 后穩定下來，巷道圍巖變形在其設計的合理范圍內，驗證了設計的工作面布置參數的合理性。