特厚煤层综放工作面区段煤柱宽度优化及应用研究

游 晓 辉

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 兴县033602）

1 工程概况

山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿21采区13# 煤23111 综采放顶煤工作面位于21 采区回风、带式输送机、辅运上山西侧，南部为实煤区，北部为23113 采空区。工作面上覆为8 号煤层18113、18101 工作面采空区，距上部采空区层间距约56.2m。23111 工作面煤层厚度为13.50 ～15.80m，平均为14.79m，煤层倾角为9.7～15.8°，平均倾角13.5°，工作面倾斜长度122.25m，可采走向长度1500m，工作面顶底板情况详见表1。为进一步提高23111 工作面的采出率，确定23111 运输巷掘进施工时护巷煤柱的最优宽度，本文以23111 工作面区段煤柱的合理留设宽度为背景展开研究。

表1 23111 工作面顶底板岩性特征

2 煤柱合理宽度理论计算

参阅相关的研究成果[1～2]，煤柱受载后的压缩变形量和煤柱的强度与煤柱的宽高比呈正相关，其具体的关系如图1（a）所示，煤柱的最大压缩变形量和强度随着宽高比的增大明显提高，宽高比在0～4 之间变化时，煤柱的最大变形量变化最为明显，当宽高比大于4 时，煤柱的最大压缩变形量基本不再增大，当煤柱宽高比在3.0 左右时，煤柱的最大压缩量小于7mm/m，且煤柱强度呈稳步增长的趋势，煤柱将保持较好的完整性和稳定性，有利于回采巷道围岩变形的控制，综合考虑煤柱完整性和巷道稳定性等因素，23111 运输巷护巷煤柱的宽高比应小于3，23111 工作面煤层均厚为14.8m，则区段煤柱宽度应小于44.4m。

图1 煤柱合理宽度确定相关示意图

区段煤柱的留设宽度对于回采巷道的围岩稳定性具有重大的影响，工作面开采引起的动压及超前支承压力影响下，区段煤柱内的损伤破坏不断累加，若煤柱宽度过小将导致煤柱丧失其原有的支承能力，巷道煤壁帮的锚杆将失效，最终导致回采巷道出现破坏失稳，因此，区段煤柱的宽度应大于极限平衡条件下的区段煤柱宽度，其合理宽度的计算模型如图1（b）所示。依据极限平衡理论，煤柱宽度应满足：

式中：B 为煤柱最小宽度，单位：m；x0为临近工作面回采后煤柱体塑性区的宽度，单位：m；x2为回采巷道煤柱侧锚杆长度，单位：m；x3为煤柱内部的弹性核区，按照经验取(0.15～0.55)(xl+x2)；式（1）中的x0计算公式如下[3]：

式中：m 为工作面采高，23111 工作面为14.8m；A 为侧向压力系数，A=μ/1-μ，其中μ 为泊松比，取0.56；φ0为煤层界面的内摩擦角，为29.6°；C0为煤层界面的黏聚力，为1.64MPa；k 为应力集中系数，取2；γ 为上覆岩层平均容重，取0.25MN/m3；H为工作面平均埋深，为274m；Px为煤壁侧向平均约束力，临近工作面回采巷道采用锚杆支护，取0.3；将以上参数代入式（2）计算可得x0=4.45m，回采巷道煤柱侧锚杆长度为2.4m，煤柱内部的弹性核区宽度为0.25（6.45+2.5）=1.74m，代入式（1）计算可得，区段煤柱合理宽度B≥8.6m，综上可知，斜沟煤矿23111 运输巷掘进时煤柱段宽度应满足8.6m≤B≤44.4m。

3 区段煤柱合理尺寸模拟研究

为进一步确定斜沟煤矿23111 运输巷掘进时区段煤柱的留设宽度，根据23111 工作面详细的地质资料和煤岩层物理力学参数，采用FLAC3D 软件构建区段煤柱数值计算模型，模型沿煤柱剖面建立，模型的Y 轴为工作面推进方向，X 轴为工作面的倾斜方向，Z 轴为高度，模型的尺寸为X×Y×Z=400×8×250m，工作面埋深为274m，模型顶部施加6.85MPa 均布载荷，模型前后边界Y 方向的位移为0，左右边界X 方向的为0，底部边界X、Y、Z 方向的位移为0，模拟方案：①模型各单元初始应力均达到10-5 数量级为初始应力平衡，得到初始应力场；②首先进行临近23113 工作面的开挖；③分别留 设8、10、13、15、20、30m 宽 的 区 段 煤 柱 进 行23111 运输巷的开挖；④进行23111 工作面的回采。

图2 煤柱内塑性区分布

区段煤柱在一次采动、掘进及二次采动影响下，煤柱内部塑性区分布及应力变化规律如图2、图3 所示，煤柱宽度为8～10m 时，两侧采空后煤柱内塑性损伤破坏区覆盖整个煤柱，煤柱内垂直应力达47.8～51.6MPa，煤柱在高应力作用下对煤柱整体造成破坏，煤柱的支承能力骤降，此时回采巷道将出现严重的变形破坏；当区段煤柱大于等于13m 时，煤柱两侧的塑性损伤破坏区中部保有明显的弹性核区，塑形区范围呈“X”型分布，其宽度随着煤柱宽度的增大逐渐增加，弹性核区的宽度分别为4、9、17、27m，煤柱内垂直应力开始呈“M”型分布，煤柱中部应力明显降低，根据前文计算的结果，煤柱内弹性核区的宽度最小为1.74m，其中，煤柱宽度为15m 时，煤柱中部弹性宽度为9m，且煤柱内垂直应力基本呈“M”型分布，综合考虑经济、安全等因素，设计23111 工作面区段煤柱宽度为15m。

图3 煤柱内应力分布

4 现场应用及效果分析

根据以上研究成果最终确定23111 工作面区段煤柱宽度为25m，为评价区段煤柱留设效果，探测煤柱整体的稳定性，在23111 运输巷煤柱帮布置三个窥视钻孔，钻孔的位置详情如图4（a）所示，工作面回采期间，超前工作面20m 进行钻孔窥视，观察不同深度钻孔围岩裂隙的发育程度，整理得到图4（b）所示的结果，由图可知，整体而言各个钻孔内裂隙的数量差异较大，随着深度的增大，煤体内裂隙的数量注浆减小，当深度在0～3m 范围内时，各个钻孔煤体内的裂隙数量均较多，煤体出现失稳破坏的征兆，孔壁甚至发生局部的坍塌：深度在3～7m 时，钻孔内的裂隙已显著减少，孔壁整体较为粗糙，煤体较为完整；孔深为7～10m，孔壁整体较为光滑，仅存在少数且细小的裂隙。23111 运输巷围岩位移监测结果表明，顶底板最大相对移近量为289mm，两帮最大移近量为324mm，能够满足工作面的正常回采的断面需求。综上分析可知，在二次采动影响下，煤柱在回采侧松动破坏范围约为7m，煤柱中部存在一定宽度的弹性核区，煤柱的完整性和承载能力较好，巷道的变形量在安全可控的范围内，15m 的区段煤柱较为合理。

图4 23111 工作面煤柱宽度合理性监测

5 结 论

斜沟煤业13#煤层区段煤柱宽度为35m，为进一步提高资源的利用率，采用理论分析计算、数值模拟等方法对区段煤柱的合理宽度进行优化，并依据23111 工作面详细的工程地质条件，理论研究确定区段煤柱宽度应在8.6～44.4m，数值模拟确定最佳煤柱宽度为15m，现场应用期间通过钻孔窥视表明，煤柱内存在一定宽度的弹性核区，煤柱完整性和承载能力较好，且23111 运输巷的位移也在合理可控的范围内，证明15m 的区段煤柱是安全可靠的，并取得了良好的经济效益。