厚煤層綜放首采工作面區段煤柱留設寬度研究

＊郭寶林

（山西正誠礦山安全技術研究所（有限公司）山西 030006）

區段煤柱只有滿足一定的尺寸（寬度）才能保持穩定，區段煤柱穩定性和合理尺寸是互為基礎、互相依存的：就本質（內容）和表現（形式）來說，穩定性是基礎、本質，合理尺寸是表現（形式）；就目標（結果）和手段（過程）來講，合理尺寸是所求的最終目標（結果），而穩定性研究是手段（過程）[1-3]。煤柱的尺寸大小直接關系到煤礦的采煤效率和資源利用率。合理的煤柱尺寸可以最大限度地利用煤礦資源，減少煤炭的浪費和損失。通過設計合理的護巷煤柱尺寸，可以減少煤柱消耗和支護成本，并提高采煤工作的效率，從而提高煤礦的產能和經濟效益[4-5]。合理的工作面區段護巷煤柱尺寸可以確保煤柱具有足夠的強度和穩定性，能夠承受來自上部巖層的載荷和壓力，從而避免煤柱失穩或坍塌引發地質災害，有助于保護工作面人員的生命安全和減少事故發生的概率。

1.工作面概況

2314工作面煤層厚度并不均勻，呈現中間薄，切眼及停采線兩端厚的特點，其平均厚度為4.7m。工作面傾斜長度為154.7m，走向長度為795.8m。綜合巷道掘進及地質勘探等情況，煤層接近水平，最大傾角為8.5°，傾角平均3°。

2.區段煤柱寬度理論計算

區段煤柱保持穩定的寬度B為：

（1）區段煤柱塑性變形區寬度。建立如圖1所示的力學模型，x1、x0分別為區段煤柱下側和上側的塑性區寬度，求解見式（2）和式（3）。

圖1 區段煤柱塑性變形區寬度計算力學模型

式中，m—保護煤柱高度；C0—黏聚力；H—埋深；φ0—內摩擦角；K、K＇—彈性核與頂底板界面下、上部塑性區與彈性核交界面上的應力集中系數；γ—覆巖平均容重；λ—側壓系數。

（2）區段煤柱彈性核破壞臨界寬度。建立如圖2所示的力學模型，求解區段煤柱彈性核破壞臨界寬度L1，見式（4），式中，L1—彈性核破壞臨界寬度。

圖2 區段煤柱彈性核臨界破壞寬度計算力學模型

（3）區段煤柱寬度確定。用公式（1）確定區段煤柱尺寸，存在一定的弊端，在實際回采過程中，動壓、時間及掘進過程等也對煤柱的穩定性有明顯影響[6-9]，而目前只考慮了靜態載荷因素，與實際情況明顯不符，故需要對該公式進行修正，修正后的公式如下：

式中，d—擾動因子；α—掘進因子。

礦井煤、巖層參數按表1選取。計算得x0=2.30m，x1=4.83m，L1=5.5m，B1≥19.40m。綜上，實際留設時考慮煤柱尺寸大于等于19.40m。

表1 礦井煤、巖層參數

3.煤柱應力現場實測

為監測煤柱實際受力情況，需對其受力進行現場實測，其測點布置見圖3，測點位置的選取考慮了工作面的實際情況，在23142巷距切眼515m處實體煤內布置鉆孔應力計。此外測站布置在煤層厚度中部，正對采空區方向的23142巷距切眼515m處實體煤內。由23142巷道向23142措施巷方向鉆孔間距依次為7m、8m、8m、8m、8m，依次編為1#～5#，采用規定型號鉆孔應力計對煤柱進行煤體應力監測[10]。具體測站布置參數見表2。

表2 測站布置參數表

圖3 鉆孔布置方案示意圖

應力計安裝后距離工作面60m時開始監測數據。由于初始階段應力計與鉆孔圍巖相互作用，其監測值不斷波動，因此取各測點距工作面50m時的數據開始分析，直到剩余煤體（煤柱）寬度為20m工作面停采撤架時結束，監測結果如圖4所示。

圖4 各測點應力隨工作面推進距離變化規律

由圖4可知，各測點距工作面50～30m過程中，剩余煤體（煤柱）應力監測值緩慢上升，且上升速率緩慢增大；1#測點應力監測值全程僅有少量上升，這表明3m深度位置全程處于塑性破壞區；2#測點距工作面30m至停采的過程中，應力監測值快速上升，但應力峰值顯著較位于煤體深處的3#、4#和5#測點小，這表明在工作面推進過程中，剩余煤體（煤柱）寬度不斷減小，其受力不斷增大，導致塑性破壞范圍不斷增大，深度5m處的2#測點在此過程中由彈性核區逐漸向塑性破壞區過渡；3#、4#和5#測點應力監測值變化規律基本相同，應力峰值較高（達到28.5MPa左右）且相近，這表明深度7m、9m和11m位置全程處于彈性核區內。對停采撤架時煤柱應力狀態作圖分析，得到結果如圖5所示。

圖5 停采時剩余煤體（煤柱）沿寬度方向應力分布

由圖5可知，煤柱寬度剩余20m時，應力分布呈馬鞍形，綜合礦壓理論可知煤柱內部依然保持穩定。本次現場監測表明，煤柱應力隨工作面推進不斷增大，距離工作面25m左右時增速明顯提高，距測點9～14m時達到峰值；剩余煤體（煤柱）在寬度減小至20m時仍未發生失穩，仍然具有很好的自承能力。

4.煤柱寬度數值模擬

在23142巷以北，存在JDX6陷落柱。為繞過JDX6陷落柱，正對采空區方向的23142巷形成了刀把型巷道，將這段煤巷布置在2314綜放面的前方。隨著工作面逐漸向煤巷推進，煤柱寬度也逐漸變小。為了研究剩余的20m、19m、18m、17m煤柱的塑性區和垂直壓力分布，借助FLAC3D數值模擬軟件，得到煤柱應力分布和煤柱塑性區分布分別如圖6和圖7所示。

圖6 煤柱應力分布圖

圖7 煤柱塑性區分布圖

由圖6（a）～（c）和圖7（a）～（c）分析可知，隨著2314工作面逐漸推進，當回采工作面與前方的23142巷道間剩余20m、19m、18m區段煤柱時，煤柱內應力峰值達30MPa以上，核區率大于65%，能保證其穩定性。而通過分析圖6（d）和圖7（d）可知，當剩余17m區段煤柱時，煤柱內應力峰值達到了34MPa，煤柱只有10m的核區，核區率為58.8%，容易發生失穩。因此，根據研究結果，建議將礦井3#煤層區段煤柱的合理寬度設定為不少于18m。

由此可見，通過理論計算、現場實測、數值模擬研究這三種手段對區段煤柱合理尺寸進行分析，表明合理的區段煤柱尺寸不應小于20m。同時參考其它盤區的回采經驗，結合相鄰工作面回采時受到動壓等的影響，選取1.5的動壓影響系數，確定西盤區工作面區段煤柱留設尺寸為30m。

5.結語

（1）引進擾動因子和掘進因子，修正了區段煤柱寬度理論計算公式，利用修正后的公式確定出區段煤柱合理尺寸應大于等于19.40m。

（2）綜合煤柱寬度合理值彈性核理論計算法、現場實測、數值模擬等手段，并考慮臨近面回采的疊加影響以及3#煤強度低等因素，確定西盤區首采工作面區段煤柱留設尺寸為30m。