龍華煤礦淺埋煤層區段煤柱合理寬度研究

齊曉華，王力，王冬冬，李彥云

（陜西煤業化工集團孫家岔龍華礦業有限公司，陜西 榆林 719300）

0 引言

陜北礦區煤炭資源儲量巨大，是我國煤炭重點開發基地，促進了地區社會經濟的高速發展。然而淺埋煤層工作面快速推進引起劇烈的礦壓顯現問題，對安全高效開采提出了更高的要求[1-3]。目前，相鄰工作面間留設區段煤柱以保障接續工作面安全回采。區段煤柱留設寬度過大將造成煤炭資源的浪費，留設寬度較小又難以維護回采巷道的穩定，因此，研究區段煤柱留設寬度的合理性對礦井安全高效開采具有重要的研究意義和實踐價值[4-5]。

我國學者對淺埋煤層區段煤柱合理寬度留設進行了大量研究。黃慶享等[6]以檸條塔礦為工程背景，采用物理模擬實驗及數值模擬揭示了采動影響下不同寬度和留設形式的區段煤柱應力演化和塑性區分布特征；張斌等[7]通過建立力學模型對淺埋煤層長壁開采4 種不同寬度的區段煤柱穩定性進行分析計算，得到其不同的失穩系數；楊俊哲等[8]對布爾臺礦采動影響下不同寬度煤柱的力學響應規律及圍巖塑性區分布特征進行了研究，確定了區段煤柱的合理尺寸；胡大沖等[9]對楊家村煤礦寬、窄條件下煤柱穩定性進行研究，確定了工作面的合理區段煤柱尺寸，提高了礦區的經濟效益；陳學華等[10]對不同煤柱寬度的塑性區演化及應力場分布進行對比分析，結合現場圍巖變形規律及相關支護結構的力學響應特征，得到了區段煤柱的留設尺寸；張立生等[11]采用UDEC 軟件模擬了高家梁煤礦不同寬度下區段煤柱圍巖穩定性及應力演化規律，確定了煤柱尺寸，提高了經濟效益。

目前，龍華煤礦3-1煤層區段煤柱留設依據陜北礦區淺埋煤層開采所得經驗。在實際回采過程中并未發生采場明顯底鼓、片幫及頂板大范圍下沉等現象，因此，認為該礦井區段煤柱寬度具有一定的優化空間，以達到安全生產和提高經濟效益的目的。本文以龍華煤礦30203 工作面為研究背景，通過現場實測及理論分析，得出煤柱留設寬度的合理值，并采用UDEC 數值模擬分析不同寬度煤柱塑性區分布特征，確定合理煤柱留設尺寸。

1 概況

龍華煤礦位于陜西省神木市孫家岔鎮境內，是典型的厚風積沙淺埋煤層。30203 工作面屬302 盤區，走向長2 728 m，傾向長295 m，傾角0～3°，平均1°，埋深100 m，煤層厚度2.35～5.27 m，平均3.88 m。北部為井田邊界，西部為30204 工作面，東部為30202 工作面，南部為3-1煤大巷保安煤柱，30203 工作面與30204 工作面之間區段煤柱寬度為20 m。頂底板情況見表1。

表1 30203 工作面頂底板一覽Table 1 Roof and floor of No.30203 Face

2 區段煤柱穩定性實測分析

2.1 現場監測方案

為了研究區段煤柱的穩定性，以龍華煤礦30203 工作面區段煤柱為研究對象，分別在30203工作面膠運順槽和輔運順槽進行煤柱應力及巷道圍巖變形監測。隨著工作面位置與超前支承壓力影響范圍之間的關系，可為30203 工作面區段煤柱尺寸優化提供依據。

本次監測共分兩個區段，一區段為膠運順槽距切眼420 m 處，二區段為輔運順槽距切眼100 m處。兩區段布置方案一致，均在煤柱側巷中間位置布置6 個應力監測孔，孔深分別為1、2、3、4、5、10 m，孔間距1 m，在各孔底處安裝1 個鉆孔應力計；并在應力監測區進行巷道圍巖變形監測，監測順槽兩幫移近量及頂板下沉、離層情況，具體布置方案如圖1 所示。

圖1 現場監測布置示意Fig.1 Layout of on-site monitoring

2.2 監測結果分析

2.2.1 位移監測結果分析

區段一兩幫收斂量變形規律如圖2 所示。當區段一測點距離工作面回采位置250 m 時，膠運順槽兩幫變形量最大值為2.4 mm，頂板下沉量最大值為3 mm；隨著監測點與工作面距離減小，頂板下沉量逐漸增大，頂板最大累積下沉量為5 mm。

圖2 區段一監測圍巖變形曲線Fig.2 Surrounding rock deformation curve of No.1 Section

區段二圍巖變形數據如圖3 所示。當區段二測點距離工作面回采位置超過40 m 時，輔運順槽頂板及兩幫變形量均極小；區段二測點距離工作面小于40 m 后，兩幫最大累積變形量為5 mm。當區段二距離工作面回采位置小于10 m 后，頂板下沉量快速增大，隨著監測點進入采空區后50 m，頂板下沉量最大值為50 mm。工作面推過監測區段二190 m 后，順槽頂板與兩幫累積收斂值較小。

圖3 區段二監測圍巖變形曲線Fig.3 Surrounding rock deformation curve of No.2 Section

2.2.2 煤柱壓力監測分析

巷幫煤柱支撐壓力監測變化如圖4 所示。由煤柱應力監測結果可知，距工作面25 m 時，膠運順槽側4、5、10 m 處測點壓力同時增大，說明煤體進入應力峰值區，因此判定膠運順槽側煤柱峰值應力區為5 m，工作面超前支承壓力影響范圍為25 m。由圖4（b） 可知，距工作面20 m 時，輔運順槽側煤柱3、4、5、10 m 處測點煤柱壓力值增大進入應力峰值區，因此判定此區域煤柱峰值應力為4 m，工作面超前支承壓力影響范圍為20 m。

圖4 巷幫煤柱支撐壓力監測變化Fig.4 Monitoring changes of support pressure of roadway side coal pillar

2.2.3 區段煤柱破碎區監測分析

采用鉆孔窺視儀對順槽兩側進行窺視，如圖5所示，工作面回采前，巷道圍巖裂隙較少，破裂區范圍小于0.8 m。受采動應力影響，煤柱破裂區范圍達到0.8 ～1.7 m。說明在工作面推過兩監測區后，兩順槽頂板較為完整且均未出現離層現象。巷道圍巖整體處于穩定狀態，頂板與兩幫累積收斂值較小，也說明現有20 m 區段煤柱寬度留設富裕，具有一定優化空間。

圖5 采動前后區段煤柱破裂區鉆孔窺視結果Fig.5 Borehole peeping results of section coal pillar fracture zone before and after mining

3 區段煤柱合理寬度理論計算

根據大量研究及工程實踐[12-13]可知，區段煤柱保持穩定時留設的煤柱合理寬度B至少為：

根據庫侖準則推導的煤柱屈服區寬度計算公式如下：

式中：R為煤柱屈服寬度，m；M為煤柱高度，m；d為開采擾動因子，d=1.5～3.0；λ 為屈服區與核區界面處的側壓系數；C為煤層與頂底板接觸面的粘聚力，一般為0.1～20 MPa；φ0為煤層與頂底板接觸面的摩擦角，一般為1°～35°；σzl為煤柱極限強度，MPa；Px 為煤壁側向約束力，MPa。

對于龍華煤礦區段煤柱，因煤柱側向約束力Px=0，則式（2） 可以簡化為：

帶入龍華煤礦30203 工作面相關參數，煤柱高度M=3.88 m；綜采擾動因子d=2.0；屈服區與核區界面處的側壓系數λ=0.18；煤層與頂底板接觸面的粘聚力C=3 MPa；煤層與頂底板接觸面的摩擦角φ=30°；煤柱極限強度σzl=17.8 MPa。則R=3.53 m，無核區煤柱的最小寬度a0=2R=7.06 m。

因此，可得出龍華煤礦30203 工作面區段煤柱至少應為14.82 m。

4 區段煤柱合理寬度數值模擬分析

采用UDEC 模擬軟件對龍華煤礦30203 工作面區段煤柱的合理寬度進行模擬分析，分別模擬煤柱寬度為20、18、16、15、14、12 m 時煤柱塑性區分布特征，如圖6 所示。兩側工作面回采完后，從左依次回采完成對煤柱尺寸的優化研究，從而確定30203 工作面區段煤柱的合理寬度。

圖6 不同寬度區段煤柱的塑性區分布特征Fig.6 Distribution characteristics of plastic zone of coal pillars with different widths

從圖6 可以看出，區段煤柱20 m 寬時，左側塑性區寬度2 m，右側塑性區寬度3 m，煤柱的彈性區為15.0 m，這與現場實測得到的彈性區寬度基本一致；煤柱18 m 寬時，左側塑性區寬度2 m，右側塑性區寬度2 m，煤柱的彈性區為14.0 m；煤柱16 m 寬時，左側塑性區寬度2 m，右側塑性區寬度3 m，煤柱的彈性區為11.0 m；15.0 m 煤柱條件下，左側塑性區寬度2 m，右側塑性區寬度3 m，煤柱的彈性區為10 m；14.0 m 煤柱條件下，左側塑性區寬度2 m，右側塑性區寬度4 m，煤柱的彈性區為7 m，小于2 倍的采高（2×3.88=7.56 m），不能夠滿足煤柱安全穩定的要求。12.0 m 煤柱條件下，采空區側塑性區寬度1 m，順槽側塑性區寬度5 m，煤柱的彈性區為6 m，不大于2 倍的采高。綜合上述分析，認為留設15 m 寬區段煤柱能夠滿足礦井安全生產需求，也能保障煤柱穩定性。

5 結論

（1） 現場實測得出了膠運順槽側煤柱峰值應力為5 m，煤柱超前支承壓力影響范圍為25 m，輔運順槽側煤柱峰值應力為4 m，煤柱超前支承壓力影響范圍20 m。鉆孔窺視得出了20 m 寬區段煤柱破碎區范圍在0.8 ～1.7 m。

（2） 依據摩爾庫倫準則，結合龍華煤礦30203 工作面相關參數，計算得出區段煤柱合理寬度應大于14.82 m。

（3） 采用UDEC 數值模擬分析了不同煤柱寬度時煤柱應力分布特征，最終得出15 m 區段煤柱的合理性，驗證了理論計算的準確性。