福达煤矿区段小煤柱合理宽度留设研究

李 峰

（山西三元福达煤业有限公司，山西 长治 046300）

区段煤柱留设宽度一直是煤矿生产组织中的最重要参数，不同的煤层赋存条件、采煤方法及工艺对区段煤柱的留设均有不同的要求，目前国内大多数生产煤矿主要是根据经验确定。福达煤矿区段煤柱留设宽度一般在20 m 左右，不仅造成了煤炭资源的浪费，还会在回采后的区段煤柱形成高应力集中区域，易造成巷道围岩变形、冒顶等问题。因此，为提高煤炭资源采出率和降低工作面巷道支护难度，有必要对区段煤柱留设宽度进行研究和优化[1-7]。

1 概况

15204 工作面总体为一走向NE、倾向NW 的单斜构造，产状稳定，煤层倾角10°左右。根据地质资料及实际揭露情况，巷道围岩无明显的软弱岩层，围岩强度高且稳定性好。15202 工作面运输巷距开口600 m 处为X9 陷落柱影响区，对煤体完整性及区段煤柱留设构成不利影响。15204 工作面平面位置如图1。

图1 15204 工作面平面示意图

2 现场实测及实验室试验

（1）煤体及顶板结构分析。根据15202 工作面运输巷钻孔窥视资料，通过分析可知在距孔口0～6 m 范围内的砂质泥岩、细粒砂岩岩性较破碎，工作面回采过后易自然垮落。

15202 工作面运输巷钻孔窥视结果如图2。

图2 15204 运输顺槽窥视图

（2）煤岩物理力学试验。分别在15202 工作面运输巷顶板上方10 m、18 m 处取芯进行岩石力学性质测试。试验结果见表1。

表1 福达顶板岩石力学性质

由试验结果可知，砂质泥岩顶板整体完整性较好，抗压强度平均35.566 MPa，石灰岩顶板强度较高，平均抗压强度达78.783 MPa。

3 煤柱合理留设宽度

煤柱的留设宽度主要与煤层所受压力以及煤体强度有关，当煤层埋藏深、厚度大、围岩较软时，煤柱承受的压力就较大；而煤柱强度主要取决于煤层的物理力学性质，并与煤柱的形状尺寸、巷道的服务年限及支护情况有关。

区段保护煤柱的留设主要是考虑与采空区相邻工作面巷道的支护问题，其留设宽度主要与回采过程中煤柱塑性区的破坏范围有关。一般而言，受采动应力影响，煤柱本身塑性破坏区会发生变化，塑性破坏区影响范围越大，煤柱破坏越严重，也就越不利于巷道支护。根据回采后区段煤柱上方形成应力的分布情况，应尽量避免将回采巷道布置在应力集中区附近，而留设区段小煤柱的目的就是把巷道布置在采空区边缘低应力区，以降低巷道支护强度，提高煤炭采出率。

区段煤柱极限平衡区宽度的计算公式如下：

式中：m为煤柱高度，取4 m；Px为锚杆对煤柱的侧向阻力，取15 MPa；λ为塑性区边界面的侧压系数，取1.5；σx、σy分别为沿x 轴和y 轴方向上的应力，根据地应力测试结果，水平应力取18 MPa，垂直应力取12 MPa；K为塑性区边界面应力集中系数，取1.5；γ为上覆岩层平均容重，取为0.025 MN/m3；C0为煤层粘聚力，考虑到受15202 工作面超前支承压力、侧向支承压力及15204 工作面回风巷掘进动压影响，其粘聚力应低于物理力学测试结果，因此煤层粘聚力取2.5 MPa；H为煤柱埋深，取400 m；φ为煤体内摩擦角，取28°。

将各值代入上式得出，福达煤矿小煤柱留设范围内煤柱的极限平衡区的宽度为X1=1.65 m。

为避免残余侧向支承压力对巷道围岩影响，对护巷煤柱进行锚杆（索）支护，因此，锚杆（索）长度X2也是区段煤柱合理宽度影响因素之一。此外，考虑到其他影响区段煤柱未知因素，对区段煤柱设置一个安全系数X3。综上，得到区段煤柱合理宽度公式如下：

B=X1+X2+X3（2）

式中：X1为煤柱塑性区宽度；X2为锚杆长度，取2.4 m；X3为煤柱安全系数，一般取0.15～0.4（X1+X2）。

经计算，区段煤柱合理宽度为B=4.7～5.7m，即15204 工作面合理小煤柱留设宽度为4.7～5.7 m。

4 数值模拟

采用FLAC3D数值模拟软件对福达煤矿小煤柱合理留设宽度进行分析，分别模拟煤柱宽度4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 五种条件下煤柱及巷道围岩塑性区变化及应力环境，模拟结果如图3 ～图5。

图3 不同尺寸煤柱围岩塑性区分布图

图4 不同尺寸煤柱围岩垂直应力分布图

图5 不同尺寸煤柱围岩水平应力分布图

由模拟结果可知，从塑性变形来看，随着煤柱尺寸的增加，煤柱一直处于塑性区范围内，巷道围岩塑性区破坏范围逐渐降低，表明4～8 m 小煤柱均处在塑性变形区，但煤柱宽度的增大能够在一定程度上降低巷道围岩的塑性变形范围。从围岩应力环境可以看出，巷道上帮以垂直应力为主，在上帮的下部帮角位置出现明显的应力集中，应力集中程度随着煤柱宽度的增加逐步增大，当煤柱宽度由4 m增加到8 m 时，垂直应力峰值由7.2 MPa 增长至16.7 MPa；底板以水平应力为主，直接底主要呈现为压应力，煤柱宽度7 m时底板水平应力达到17.9 MPa峰值，煤柱宽度8 m 时水平应力最低，为10.7 MPa，其余宽度煤柱时水平应力在14 MPa 左右。

5 结论

（1）由煤岩物理力学试验结果可知，15204 工作面砂质泥岩顶板整体完整性较好，抗压强度平均35.566 MPa，石灰岩顶板强度较高，平均抗压强度达78.783 MPa。

（2）通过理论计算和采用数值模拟方法分析五种条件下煤柱的破坏特征及巷道应力环境可知，小煤柱巷道上帮存在垂直应力峰值区，主要位于下帮角处，随着煤柱宽度的增加，应力峰值逐渐增大；底板主要受水平压应力影响，应力峰值基本在14 MPa 以上，且影响范围较大，当煤柱宽度为5 m 时，垂直应力峰值水平较低，上帮影响程度较低，底板最大水平应力影响范围较小。结合理论计算结果，最终确定福达煤矿15#煤层15204 工作面小煤柱合理留设宽度为5 m。