特厚煤层综放面沿空掘巷小煤柱合理宽度留设研究

赵海兵，孙文忠

(同煤国电同忻煤矿有限公司， 山西 大同 037000)

据不完全统计，特厚煤层综放开采时由区段煤柱造成的煤炭损失高达36.7%，在矿井煤炭损失中居首位[1]. 为提高煤炭产出率，避免资源浪费，无煤柱护巷技术是目前的主要解决手段，其中特厚煤层条件下以沿空掘巷小煤柱为主。沿空掘巷小煤柱的合理留设宽度受不同地质条件、不同开采技术工艺、不同采空区时空演绎关系等影响较大，为此，我国学者进行了大量研究。

祁方坤等[2]依据采空区侧向压力分布规律和极限平衡理论确定了区段煤柱合理的留设宽度范围，结合山东某矿具体地质条件通过数值模拟确定了该矿最终的煤柱留设宽度。崔楠等[3]通过探究弹性应变能的计算方法研究了小煤柱中弹性应变能的分布特征，并分析了不同煤柱宽度下巷道表面位移、塑性区分布和巷帮应力等参量的影响规律。殷帅峰等[4]为解决小煤柱巷道掘进初期巷道变形量大的问题，运用CT扫描技术研究了巷道两侧煤体的微裂隙演化规律，并提出了小煤柱巷道的非对称支护技术。以上关于小煤柱沿空掘巷的研究多集中于煤柱应力状态分析以及小煤柱巷道的围岩控制研究，而针对大同矿区特厚煤层大采高综放工作面这种特殊地质条件下煤柱合理留设宽度的研究相对较少。

以同煤集团同忻矿为背景，探究该矿特厚煤层综放工作面小煤柱的合理留设宽度，以期解决以往大煤柱巷道生产过程中出现的强巷道矿压问题和大煤柱巷道所造成的资源浪费问题。

1 工程概况

同忻矿8305工作面位于三盘区南部，工作面北部为8307采空区，南部为实体煤，西部为银塘沟村保安煤柱，东部为三盘区辅运大巷。工作面倾向长约200 m，可采长度为1 034 m，平均埋深530 m. 工作面布置见图1.

图1 8305工作面布置图

同忻矿8305工作面所在区域煤层厚度介于7.24～17.98 m，平均厚度13.76 m，倾角1°～2°，平均倾角1.5°，煤层普氏硬度1.59，煤层直接顶为火成岩，煤层底板为高岭岩，煤层柱状见图2.

图2 8305工作面柱状图

2 沿空掘巷小煤柱宽度确定

2.1 煤柱宽度理论分析

煤层回采后，回采上方覆岩垮落形成采空区，破坏了原岩应力平衡，经历一定时间之后，采空区端部结构受采空区中部下沉及其自身荷载影响形成三角形滑移区。随着采空区的稳定，三角滑移区块体与采空区破碎岩体形成稳定接触，使得原本需要滑移区下部煤柱支承的载荷部分转移至采空区，这是采空区侧向支承压力降低的根本原因。三角滑移区运动模型见图3.

图3 三角滑移区运动模型图

根据同忻矿三盘区实际地质条件，运用弹塑性力学理论、极限平衡理论，建立煤柱侧向支承压力计算力学模型，见图4，推导计算8307工作面回采后侧向支承压力分布情况，确定沿空掘巷小煤柱合理留设宽度。

M—煤层采厚 σx—水平应力 σy—垂直应力σyl—垂直应力峰值 τxy—煤层与岩层间剪应力x1—极限平衡区宽度 α—煤层倾角Px—煤柱所受水平约束力图4 煤柱极限平衡区宽度计算力学模型图

由于8305工作面煤层倾角平均为1.5°，为近水平煤层，力学模型中α可取0°，求解屈服区界面应力的平衡方程及边界条件[5-6]可得极限平衡区宽度为：

(1)

式中：

A—侧压系数，取0.91；

φ0—内摩擦角，(°)，取28；

C0—黏聚力，MPa，取2；

Px—侧向约束力，取0.

σyl为原岩垂直应力，取13.25 MPa，煤层采厚M取工作面平均煤厚13.76 m，计算出8307采空区侧向支承压力降低区为0～12.77 m.为保证将巷道布置于应力降低区内，巷道宽度为5.5 m，故5305巷小煤柱宽度最大为7.27 m.

2.2 侧向支承压力数值模拟分析

为进一步分析8307采空区侧向压力的分布情况，采用FLAC3D有限元计算软件进行了模拟，方案如下：

根据8305工作面实际岩层覆存特征建立三维数值计算模型，在模型底部固定纵向位移，模型侧部固定横向位移，在模型顶部施加10.75 MPa垂直应力用以模拟模型上覆岩层自重。布置测线于模型3-5#煤底板用以监测模拟开挖过程中8307采空区侧向应力分布状况，数值模拟计算模型见图5，上覆岩层模拟力学参数见表1.

表1 煤、岩数值模拟参数表

图5 数值计算模型图

在8307采空区开挖过程中对采空区侧向120 m范围内煤层底板的垂直应力进行监测和处理，得到曲线见图6. 从图6中可以看出，8307工作面回采后在距离煤壁0～12 m支承压力低于原岩应力，与理论计算中的12.77 m基本吻合，通过数值模拟可得，5305巷小煤柱宽度最大为6.5 m.

图6 采空区稳定后侧向支承应力分布图

2.3 不同宽度煤柱受力分析

为探究不同煤柱宽度条件下巷道围岩受力状况，对不同煤柱宽度小煤柱巷道进行模拟，结果见图7，8.

图7 不同煤柱宽度巷道围岩应力分布图

图8 不同宽度下煤柱内部应力分布曲线图

由图7，8可知，煤柱留设不同宽度时，煤柱内部应力分布有很大区别。随着煤柱宽度由5 m增加到8 m，煤柱内部应力集中程度也在逐渐增加。当煤柱宽度为5 m时，煤柱内部最大垂直应力为8 MPa；当煤柱宽度为6 m时，煤柱内部最大垂直应力为9.1 MPa；当煤柱宽度为7 m时，煤柱内部最大垂直应力为10.6 MPa；当煤柱宽度为8 m时，煤柱内部最大垂直应力为14 MPa. 该数据表明，数值模拟结果与理论计算基本一致，当煤柱宽度小于7 m时，煤柱内部应力低于原岩应力13.25 MPa，当煤柱宽度大于7 m后，煤柱内部应力开始超过原岩应力。因此，从数值模拟围岩应力结果来看，为将小煤柱巷道布置于应力降低区内，则煤柱宽度最大为7 m.

2.4 不同宽度煤柱塑性区分析

煤柱不同宽度下塑性区分布见图9，由图9可以看出，当煤柱宽度小于等于6 m时，煤柱内部处于塑性破坏状态；当煤柱段大于等于7 m时，煤柱内部开始出现弹性区域，并且弹性区域宽度随着煤柱宽度的增加而增加。由于小煤柱沿空掘巷的原则即为将巷道布置于塑性区内，以保证巷道煤柱承受较小载荷，因而从数值模拟塑性区分布结果来看，为将小煤柱巷道布置于塑性区内，则煤柱宽度最大为6 m.

图9 不同煤柱宽度巷道塑性区分布图

综上所述，结合理论分析及数值模拟结果，同时为了避免8307采空区水、火、瓦斯等影响小煤柱巷，最终确定同忻矿8305工作面小煤柱合理留设宽度为6 m.

3 工程应用效果分析

为探索6 m小煤柱巷道实际生产过程中的围岩变形情况，在巷道掘进及工作面回采期间对5305小煤柱巷表面位移进行了现场观测，每间隔250 m设置一个表面位移观测点，从巷口至切眼依次编号1—4，观测结果见图10，11. 观测结果表明：巷道掘进期间顶底板最大移近量为59 mm，两帮最大收敛量为88 mm；工作面回采期间巷道顶底板最大移近量为420 mm，两帮最大收敛量为729 mm. 总体来说，在生产过程中5305小煤柱巷围岩变形处于可控范围内，同忻矿6 m小煤柱沿空掘巷应用效果良好。

图10 掘进期间巷道表面位移量图

图11 回采期间巷道表面位移量图

4 结 论

1) 理论分析及数值模拟结果表明，8307采空区侧向支承应力降低区为0～12 m.

2) 当煤柱宽度大于7 m后，煤柱内部应力开始超过原岩应力；当煤柱宽度小于等于6 m时，煤柱内部全部塑性破坏，因而最终确定5305小煤柱巷煤柱宽度为6 m.

3) 通过巷道围岩变形监测验证了同忻矿6 m小煤柱宽度的合理性。