二叠系厚煤层综放工作面合理区段及停采煤柱留设宽度研究

张郑伟

（晋能控股煤业集团有限公司同大科技研究院 山西 大同 037003）

关键字：厚煤层；综放开采；区段煤柱；停采煤柱

1 概述

同发东周窑煤业目前主采二叠系山4#煤层，埋深约509 m，厚度约7.2 m，直接顶为炭质泥岩，底板为粉砂岩。综放开采时采高为3.2 m，放煤厚度4.01 m，采放比约为1:1.2。煤层本身厚度变异性大，地质构造相对复杂，且目前区段煤柱及停采煤柱留设不合理，导致工作面矿压显现规律不清楚，煤炭资源损失严重等问题。为解决上述问题，本文运用理论分析、数值模拟的方法，在系统探究采空区侧向支承压力基础上对沿空掘巷区段小煤柱的宽度及停采煤柱宽度进行优化[1-2]。

2 区段煤柱合理留设宽度研究

2.1 煤柱宽度留设的基本原则

（1）将巷道布局于围岩应力较低的位置，以便于维护。

（2）提升煤炭回采率，减少资源的损失。

（3）隔离采空区，避免漏风发火。

（4）围岩变形程度不影响安全生产。

（5）煤柱内不能存在大的弹性变形区，避免造成冲击地压。

2.2 采空区侧向支承压力理论分析

以弹塑性力学为基础，结合东周窑井田现场实际，得出8103工作面侧向支承应力分布规律，是小煤柱宽度选择的重要依据。为便于研究，将煤岩体视作均质弹塑性体，并满足摩尔库伦屈服定律，煤岩极限强度区域x=x1段符合式（1）中边界条件，建立模型如图1[3-4]。

图1 沿空掘巷实体煤帮力学模型

式中，σx、σy分别代表x、y轴向应力（MPa）；σy1代表煤柱的极限强度（MPa），β代表侧压系数，代表泊松比；α代表煤层倾角（°）。

图中M：煤层厚度，τxy：煤层与上下岩层的剪应力，x1：岩体极限强度段宽度，Px：采空侧支撑煤体的阻力，α：煤层倾角。

根据他人研究成果[5-6]，参考东周窑矿相关影响参数，可计算侧压系数β分别为0.9和1.5时煤厚所对应的应力降低区范围，见图2。

图2 侧向支承应力降低区范围随采厚变化图

据上图，当侧压系数β=1.5，开采厚度依次为4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 时所对应的应力降低区范围是5.36 m，6.68 m，8.02 m，9.37 m，10.69 m；当侧压系数β=0.9，不同开采厚度所对应的应力降低区范围是3.20 m，4.00 m，4.81 m，5.63 m，6.41 m。这说明随着开采厚度的增加，侧向压力峰值会向实体煤内侧转移。8103 工作面实际采厚约6.62 m，经计算可知应力降低区范围大约在5.32 m至8.87 m之间。

2.3 合理煤柱留设宽度数值模拟

根据J27 柱状图，结合东周窑井田围岩力学测试参数，运用FLAC3D软件建立数值模型，此模型共设置为12层，网格数45 500个，模型的大小为500 m×200 m(X×Z)，模型的两侧约束x方向的位移，前后侧约束y方向的位移，上部施加载荷，上、下侧共同约束z方向的位移。在8102 工作面采空区右侧煤层顶部埋设一条监测线，以此监测侧向支承压力的分布情况。

模拟初始开采8102 工作面，等开采稳定后，垂直应力云图见图3。

图3 垂直应力分布云图

结果表明，待计算达到平衡以后，采空区两端呈现应力集中区域，靠近采空区边缘局部区域形成应力降低区，将巷道布局于此有利于减轻巷道围岩受力环境，便于巷道维护。

在采空区两侧一定距离出现了应力集中现象，而在最靠近采空区边缘的位置出现了一定范围的应力降低区。将巷道尽可能的布置于应力降低区域将会有效改善巷道的应力环境。采空区稳定后，侧向支承应力分布情况见图4。

图4 采空区稳定后侧向支承应力分布图

据图4 可知，山4#煤原岩应力约11.9 MPa，而采空区稳定后形成的应力降低区域是8 m。形成的集中应力峰值位于采空区端部14 m处，达到21.0 MPa。

综上所述，适合将小煤柱宽度设计为5.32 m～8 m范围内。下面将煤柱依次设计为6 m、7 m、8 m 时，根据模型计算得出结果见图5。

图5 不同宽度煤柱模拟示意图

不同宽度的煤柱，对巷道来说其变形与受力情况如表1和表2所示。

表1 巷道变形量对比表

表2 巷道围岩应力对比表

据上表显示：选择6 m煤柱时，巷道围岩受力及变形情况显著比选择7 m 和8 m 宽度的煤柱时小一个数量级，因此，最终选择留设6 m宽度的煤柱。

3 停采煤柱合理留设宽度研究

3.1 工作面回采设备长度的影响

8103工作面从端头支架、破碎机到皮带机头等总长度130 m，而设备列车可以在辅运巷中回撤，此处不做考虑。同时需要考虑一定的富裕空间，因而停采线与盘区胶带巷的距离不小于140 m，此时煤壁中部与盘区回风巷相距78 m。

3.2 工作面超前支承压力的影响

利用数值模拟的方法，在前文模型的基础上进一步计算工作面超前支承压力的分布规律，计算结果见图6。

图6 工作面周围塑性区位置图

由曲线知，在距煤壁18 m位置出现超前支承压力峰值，高达27.7 MPa。超过煤壁50 m位置以后应力大小趋于原岩应力。由此可知受支承压力影响的范围在50 m之内。

3.3 工作面末采周期来压的影响

工作面的停采位置基本位于来压时和来压后。若位于来压时，如图中停采位置1，此时基本顶没有断裂，工作面受到较强的压力作用，如曲线2所示。若位于来压后，如图中停采位置2，此时的基本顶已经破断，工作面所受压力较小，如曲线1 所示，此时对回撤工作十分有利。

图7 不同停采位置的应力分布图

将停采线的位置根据周期来压情况进行调整，避免其对收尾撤架工作造成不利影响。考虑到设备长度与模拟计算结果，选择将停采线设置在距盘区巷道80 m 处。图8 中L 是最后一次来压位置与理论最佳停采位置的距离，L取0.4～0.6倍周期来压步距时，最有利撤架。根据现场末采实际周期来压状况，最终留设80 m停采煤柱。

图8 停采线位置与周期来压关系示意图

4 结论

（1）结合东周窑矿8103 工作面现场情况，通过理论基础分析，8103 工作面侧向应力降低区范围为5.32 m～8.87 m。

（2）数值模拟显示，8102 工作面采空区稳定后应力降低区范围为8 m。应力峰值位于距离采空区边缘14 m的位置，达到21.0 MPa。

（3）综合考虑东周窑矿5103 巷地质条件、支护形式，结合理论分析和数值模拟结果，将区段煤柱的合理宽度确定为6 m。

（4）通过分析工作面回采设备长度、超前支承压力、末采周期来压位置等因素对停采线位置选择的影响，确定留设80 m停采煤柱能有效地实现工作面快速安全回撤。