近距离煤层开采区段煤柱留设研究

文/韩玉林

现代矿压理论认为，应力集中程度对巷道的矿压显现程度起决定作用，将巷道布置在煤柱下方的低应力区是实现主动控制巷道稳定性的根本途径，然而巷道布置受多方面因素影响，并不都能将巷道布置在应力降低区，这就需要研究近距离煤层煤柱在底板中的分布规律和影响范围，对下部煤层回采巷道的合理位置进行探讨，提出近距离下部煤层回采巷道的合理位置确定方法。

一、煤柱稳定性影响因素

1.煤体性质

在含节理弱面的煤柱稳定性和煤柱设计中，当抗剪强度不足时，应采取调整煤柱位置、加大煤柱宽度和进行充填等措施，提高煤柱的承载能力和稳定性。由于煤体中结构面的存在，使煤体与煤块的力学特性之间有很大的差异，结构面对煤柱强度的影响主要表现为造成煤柱强度的各向异性和煤柱强度的降低。

2.围岩对煤柱的影响

顶底板对煤柱具有端面摩擦效应，在相对煤柱较为坚硬的顶底板条件下，它起到加强煤柱稳定的作用。但是相对松软的顶底板条件下却会大幅度地削弱煤柱强度和稳定性。因此，在松软顶底板条件下的煤柱设计时，应考虑因顶底板对煤柱的摩擦作用产生拉应力而增加的煤柱屈服区宽度。图1为煤柱顶底板岩层应力分布情况。

Ⅰ—残余破坏区；Ⅱ—承载软化区；Ⅲ—局部破坏区；Ⅳ—弹性区；Ⅴ—原始应力区

3.宽高比的影响

根据国内外研究的结果和经验数据可知，煤柱强度和压缩变形变化的总趋势是随煤柱宽高比增大而增大的。同时，煤层倾角对煤柱稳定性的影响不容忽视，随煤层倾角的增大，垂直于煤层层面方向的弯曲量减小，滑移量增加。但由于坚硬程度很难定量确定且变化很大，并且围岩特性、煤层与煤样的相对位置关系、煤柱与煤柱相对位置关系、煤柱强度等诸多因素都影响煤柱载荷的大小，所以煤柱设计应基于全部载荷设计，同时尽可能考虑各主要因素的影响。

二、煤柱应力传递数值计算

1.模型建立

运用FLAC3D数值计算软件，将三维计算模型的长×宽×高设置为300m×100m×120m。共划分出120000个长方体单元和1385000个网格点。模型侧面限制水平移动，并施加随深度变化的水平压应力，模型的底面限制水平移动和垂直移动，模型的上部施加上覆岩层的自重应力。研究范围内的岩层采用莫尔库仑模型。计算模型单元的三维网格划分图如图2所示。

2.单一煤层模拟结果分析

图3是工作面推过30m后，不同煤柱宽度条件下主应力分布。通过模拟发现，大煤柱虽然稳定，但同时会在底板中形成较大的应力集中，在近距离煤层群开采中，大煤柱不利于下部煤层的巷道布置。所以，在布置下煤层回采巷道时，应避开应力集中，采用内错式布置。

在单一煤层回采中，煤柱的宽度对巷道围岩变形量和稳定性的影响很大，煤柱较小时，对控制巷道围岩变形和提高稳定性有利。但煤柱过小，围岩向巷道内的位移量会增大，因为煤柱较小时，在采动影响下，围岩已经发生松动破坏，塑性变形量大，极为破碎，应力低，围岩自身强度和承载能力很小。而煤柱宽度达到9m时，虽然该位置围岩的应力较大，但由于处于应力集中区，巷道围岩变形量也大，也不利于围岩的稳定。这说明必须有一个合理的煤柱宽度变化范围，才能保证巷道围岩稳定又具有较高的强度和自身承载能力。同时，如采用小煤柱布置上煤层，在回采近距离煤层下部巷道时为避免应力集中的发生，下煤层煤柱可以采用内错式、外错式和重叠布置。

3.近距离煤层模拟结果

煤柱均布载荷向底板煤岩层传递的各应力影响范围和分布形式有所不同，垂直应力影响范围较大，而水平和剪应力的影响范围相对较浅，各应力均按一定角度扩散。在底板不同深度水平截面上，距煤柱均布载荷作用点愈近，应力分布范围愈小，且影响程度愈大。对新柳煤矿10#和11#近距离煤层开采，区段煤柱不同留设方式进行数值计算发现，10#采用留设20m煤柱，当10#煤采完后，会在底板形成应力集中，对底板影响范围很大。将11#煤层巷道布置在10#煤采空区下，即布置在上煤层回采完形成的减压区。通过模拟发现，当煤柱右错20m时，下煤柱在上煤柱地板压力集中区，下煤柱的稳定性受上煤柱的影响，下煤柱本身也会产生应力集中现象。这很容易造成下层煤巷道维护难度加大。当内错距离增大到40m时，上煤柱对下煤柱影响范围很小，基本可以保证回采巷道的稳定。

外错布置不同于内错布置，而是将下煤层巷道布置在上煤层煤柱外侧。结果显示，当下煤层煤柱外错布置时，下煤层煤柱布置在上煤层的应力升高区，这将会使下煤层煤柱受上煤柱应力集中的影响，不利于下煤柱的稳定，加大了巷道的维护难度；而且上煤柱对下煤柱的影响存在不均衡性，在靠近上煤柱侧会产生较大的变形，这对于巷道支护将有指导意义，即加强靠近上煤柱帮的支护强度。

当下层煤煤柱布置在上煤柱下面时，两煤柱应力会产生叠加，应力集中程度大大增加，不利于巷道的稳定。应力集中程度还要受到煤柱宽度的影响，在现实生产中很少将巷道重叠布置，目的是为了避免应力集中，增加巷道维护难度。

三、近距离煤层煤柱布置

根据煤柱塑性区宽度实例计算结果，新柳矿极近距离煤层巷道布置形式如下：

1.当上层煤柱宽度小于6m时，可采用外错式、内错式和重叠式巷道布置形式；当上部煤柱宽度在6m～9m范围内，可以采用内错式布置形式或重叠式布置形式；当上部煤层的煤柱宽度大于9m时，宜采用内错式布置形式。

2.当上部煤柱是锚杆支护巷道，则在计算时应考虑锚杆的作用因素。经计算，单一煤层时，煤柱最小尺寸在6.6m，所以当煤柱小于6.6m时，下层煤布置巷道时可以考虑内错式、外错式或重叠形式布置；当上部煤层煤柱宽度在6.6～9.9m时，宜采用内错式布置形式或重叠式布置形式；上部煤层开采的煤柱宽度在15m以上，下部煤层开采时巷道内错布置为宜。

四、结论

1.研究结果表明，煤柱上支承压力分布是开采影响岩层相互作用的结果，是开采引起集中应力在煤层与直接顶界面上的直接反映。近距离跨采巷道围岩位移受开采引起的整体位移场影响较大，而不单纯决定于煤柱侧支承压力的作用。

2.煤柱宽度不同，在底板中形成的应力集中程度也不同。只有留设一个合理的煤柱才能保证巷道围岩稳定又具有较高的强度和自身承载能力。

3.如采用小煤柱布置上煤层，在回采近距离煤层下部巷道时为避免应力集中的发生，下煤层煤柱可以采用内错式、外错式和重叠布置。如果上层煤柱是稳定煤柱，下层煤宜采用内错式布置。