梗阳麦地掌煤矿回采面区段煤柱留设的优化设计探究

李 明

（山西天成元矿山安全技术咨询有限公司，山西 太原 030000）

1 研究背景及目的

伴随着我国社会经济建设发展需要，对煤炭资源的需求将会逐渐增多，从浅部煤层到深部煤层的资源开挖势在必行。随着开采深度加深，其围岩应力趋势变化也将更加复杂，如巷道变形严重，矿压显现加深，因此深井高应力巷道围岩稳定性控制已成为深部开采的一大难题。

目前国内外针对深井高应力巷道围岩稳定性控制的手段主要是留设区段煤柱和加强巷道支护。但是留设区段煤柱合理宽度直接影响动压回采巷道围岩控制效果。本次研究以可采2 号煤层为例，针对在矿井安全生产中出现的巷道围岩破坏情况，研究将理论分析、软件模拟等方法相结合的综合研究手段，确定麦地掌煤矿2 号煤层回采面的最优区段煤柱距离，以此减弱矿压显现的目的，实现矿井安全回采。对实现麦地掌矿井安全、高产、高效提供了重要的理论依据。

2 工作面范围内外的采掘情况及其影响

太原梗阳麦地掌煤矿为典型的深井高应力矿井，主要开采2 号煤层，21208 和21210 工作面已形成。目前麦地掌煤矿2 号煤层回采工作面的区段煤柱宽度设计为20 m。在此安全保护距离下，顺槽矿压显现严重，顶板下沉量大，围岩稳定性较差，难以保证矿井安全生产。

本次研究以21206 工作面为例，工作面位于井田的西北部，北部为21208 相邻工作面，采空区西部为采区边界，南部为实体煤，东部为大巷。工作面地表无任何建筑物。工作面布置及相邻工作面情况见图1。

图1 21206 工作面布置图

2.1 煤层赋存条件

可采煤层2 号煤位于山西组中部，上距K4 砂岩25.87～37.65 m，平均 30.00 m，下距 6 号煤层 30.89～52.50 m，平均42.72 m。煤层厚1.55～3.25 m，平均2.42 m。结构简单，一般不含夹矸，局部含1 层夹矸，属全井田稳定的可采煤层。顶板岩性为砂质泥岩、泥岩、粉砂岩，局部为细粒砂岩；底板岩性为细粒砂岩、砂质泥岩。

2.2 现场检测结果

经于2017 年5 月、9 月 2 次对麦地掌煤矿井下21208 回风顺槽巷道支护进行了现场实地调查。经现场调查可知，麦地掌煤矿21208 工作面、运输与回风顺槽与开切眼已经贯通，工作面液压支架已经布置完毕，回风顺槽矩形段巷道顶板沿2 号煤层顶板掘进，采用锚网+锚索+钢带支护；现场观测可知，巷道前端到开口150 m 处没有出现过大的变形，巷道围岩变形量小；150~400 m 顶板变形严重；在450 m 处巷道进入陷落柱区域，矿井根据实际情况进行了加强支护；450 m 后方局部顶板支护效果良好，无明显变形。

3 巷道围岩钻孔窥视及窥视结果分析

3.1 钻孔位置

3.2 分析汇总结果

根据现场钻孔窥视结果可知，21208 回风顺槽距开口200 m 处巷道顶板完整性较好，裂隙发育程度不高，没有明显顶板离层现象；600 m 处巷道顶板横向裂纹较少、纵向裂纹较多，裂隙发育程度一般，没有明显顶板离层现象。1 000 m 处巷道顶板横向裂纹、纵向裂纹较多，主要集中在7 m 之前，7~12 m 裂隙发育程度一般，没有明显顶板离层现象。1 200 m 处顶板有极少数横向裂隙，个别最大宽度最大可以达到1 cm。存在多处破碎区域，范围可达20 cm。存在弯曲型裂隙和离层现象。

4 巷道底板围岩钻孔取芯及岩层厚度测试结果

4.1 钻孔位置

为了确定2 号煤层底板岩性情况，选择在21208工作面运输顺槽560 m 处回风顺槽860 m 处进行底板钻孔窥视。

4.2 底板窥视及岩层厚度测试结果

在21208 运输顺槽距开口560m 处底板钻孔窥视结果显示：在0~2.15 m 范围内，整体来看，巷道底板完整性较好，裂隙发育程度不高，没有明显裂隙及破碎区域，此区域为完整泥岩，在2.15 m 处，岩性明显转变为砂岩。21208 工作面运输顺槽560 m 处为褶皱发育区，巷道底板岩性因掘巷而裸露，通过现场测量，可以确定煤层底板岩性依次为0~1.1 m 粉砂岩（通过裸露构造确定），1.1~1.35m 泥岩（通过裸露构造确定），1.35 ~ 1.45m 煤线（通过裸露构造确定），1.45~2.15 m 泥岩（通过起底确定及钻孔窥视确定），之下为砂岩（通过窥视确定）。

5 回采工作面区段煤柱合理尺寸的理论计算

5.1 用宽度条件确定区段煤柱尺寸

由上述内容可知，宽度条件确定区段煤柱尺寸的公式为式：

区段煤柱上、下侧塑性区宽度x0、x1分别为：

区段煤柱弹性核临界破坏宽度为

公式中：x0、x1为区段煤柱上、下侧塑性区宽度，m；L1为煤柱弹性核破坏临界宽度，m；为煤柱高度，m；K、K'为弹性核与顶底板界面下、上部塑性区与弹性核交界面上的应力集中系数；C、φ 为煤体的粘聚力、内摩擦角；C0为煤柱与顶底板界面的粘聚力，一般为0.1~20 MPa；φ0为煤柱与顶底板界面的内摩擦角，一般为1°～35°；γ、H为覆岩平均容重、煤层埋深；λ为塑性区与弹性核区的侧压系数。

本罪为情节犯，由法条可以看出，分为情节严重和情节特别严重，相对应的有两种轻重不同的法定刑。至于何谓“情节严重”或“情节特别严重”，并没有明确规定。一般认为，多次、大量非法获取他人计算机数据的为情节严重。

麦地掌煤矿煤、岩层参数按表1 选取。

表1 麦地掌煤矿2 号煤、岩层参数

把表 1 中对应数值代入公式（1）~（3），计算得：

x0=2.54 m，x1=2.45 m，L1=0.2 m。

把以上值代入，计算得：

综上，实际留设时，煤柱尺寸取30m。

5.2 用强度条件确定区段煤柱尺寸

区段煤柱宽度应为：

式中，Rc、Rt为煤体的单轴抗压、抗拉强度，MPa；b为煤体宽度，m；m为煤柱高度，m；φ为煤体内摩擦角，°；σ为煤柱内平均应力，MPa。

考虑对整个煤柱来讲平均应力取值应偏高，于是取煤柱平均应力为：

把表 3 数据代入式（4）、（5）得：

仍取开采扰动影响因子d=3；掘进影响因子α=1.2，因而得出煤柱宽度为

综合宽度计算与强度计算的结果，初步确定煤柱合理宽度为30 m。

6 基于数值模拟的回采工作面区段煤柱合理尺寸的确定

为了合理的确定护巷煤柱的宽度，同时全面、客观地反映巷道围岩应力与运动规律，以麦地掌煤矿21206、21208 工作面为工程背景，构建FLAC3D三维计算模型，模拟分析煤柱塑性区分布情况及巷道围岩变形状况，从而确定2 号煤层回采工作面区段煤柱的合理宽度。

6.1 数值模拟计算模型的建立

为确定梗阳煤业回采工作面区段煤柱的合理宽度，以21206 及21208 工作面为工程背景，建立数值计算模型，根据煤层地质条件及现场实际情况，共设计了2 个计算模型。

图2 数值模拟模型示意图

1）模型模拟几何尺寸：x×y×z = 长×宽×高=454.8 m×200 m×100 m。模型共划分579 600 个单元，606 144 个节点。模型模拟2 号煤层厚2.42 m，煤层顶板56.95 m，底板40.35 m。

2）模拟过程中分别考虑。21208 工作面回采、21026 顺槽掘进及21206 工作面回采3 个过程，分析煤柱屈服破坏范围大小，应力分布情况（见图2）。

3）模型边界条件。如图2（a）所示为数值模拟边界示意图，巷道沿着顶煤掘进，左侧为21206 工作面，右侧为21208 工作面，整个模型在前、后，左、右及下部均为固定边界，限制水平位移。

6.2 数值模拟方案及过程

根据煤层地质条件及现场实际情况，共设计了2个计算模型，工作面区段煤柱的宽度分别为25、30m，论证25 m 及30 m 煤柱是否满足强度及稳定性要求，研究内容为不同煤柱宽度时，煤柱塑性区及巷道围岩变形量的分布情况，巷道受动压影响程度，进而确定回采工作面区段煤柱的合理宽度。以21206 工作面为例进行研究。

模拟过程：首先回采21208 工作面、待工作面回采完成后（工作面推进长度y =170 m）开挖21206工作面回风及运输顺槽（开挖长度y = 200 m），顺槽稳定后（运行到收敛），逐步回采21206 工作面并保存回采文件（工作面推进长度y = 100 m），为了更加符合实际条件，在煤柱及两侧巷道的网格加密。模拟图略。

6.3 数值模拟结果及分析

图3-图4 分别为2 种不同宽度的区段煤柱在同一测点（100 m 处）采动影响前后的塑性区扩展计算结果图。由图可看出，当煤柱宽度为25 m 时，受采动影响前，左右帮破坏深度均为2.5 m；受采动影响后，煤柱侧破坏深度由2.5 m 延伸到7.8 m，煤柱弹性区只剩4 m；当煤柱宽度为30 m 时，受采动影响前，21206 运输顺槽左右帮破坏深度均为2 m，受采动影响后，煤柱侧破坏深度由2 m 延伸到3.5 m，煤柱弹性区仍有12 m。判断煤柱是否失稳的标准为煤柱弹性区宽度是否大于2 倍的煤柱高度，显然，当煤柱为25 m 时，弹性区宽度小于2 倍煤柱高度，而煤柱为30 m时，弹性区宽度大于2 倍煤柱高度，因此，当煤柱宽度为25 m 时煤柱失稳，宽度为30 m 时煤柱未失稳。

当煤柱宽度为25 m 时，煤柱上方岩层破坏区发生贯通现象，表示煤柱上方岩层发生严重破坏，顶板极易发生离层，当煤柱宽度为30 m 时，煤柱上方岩层破坏区未贯通，说明煤柱宽度为30 m 时，上覆岩层所受采动影响较小，发生整体离层现象可能性较小。

图3 25 m 煤柱塑性区云图

图4 30 m 煤柱塑性区云图

7 本次优化结论

本次优化研究以麦地掌煤矿2 号煤为研究对象，利用宽度和强度条件计算了煤柱宽度，采用FLAC3D软件建立了考虑相邻工作面采动影响的数值模型，对煤柱塑性破坏、弹性区宽度、煤柱上方顶板贯通程度的分析，得出以下结论：

利用宽度条件计算得煤柱宽度为29.56 m，利用强度条件计算得煤柱宽度为21.06 m，为了充分满足宽度和强度条件，确定回采工作面区段煤柱的合理留设尺寸为30 m；通过数值模拟结果可知，根据留设煤柱宽度需大于等于2 倍煤柱高度的原则，确定留设30 m 煤柱。