山西上榆泉煤矿浅埋近距离下伏煤层煤柱尺寸优化

张云峰

(神华集团上榆泉煤矿)

确定合理的煤柱宽度，能够改善巷道围岩支护系统，减少资源损耗[1-3]。近年来，大量学者对于该领域的研究主要集中于合理煤柱留设和沿空掘巷围岩控制技术方面[1,4-7]。煤柱缩小后，受侧向支撑压力的影响，小煤柱处于塑性区，结构稳定性差[8-10]。一般来说，有效锚固允许的锚固区围岩变形量为500～600 mm，超过该范围时，由于锚固区岩体的剧烈变形，锚固体系趋于失效，并且当存在煤层群时，各煤层层间距小，上覆煤层开采后易对下伏煤层开采造成采动影响。尽管我国留小煤柱沿空掘巷围岩控制技术有了较大进步，但小煤柱易失稳仍然是目前沿空掘巷锚杆支护所面临的最突出最难解决的问题。本研究结合上榆泉煤矿工程地质条件，结合理论分析及数值模拟分析，合理确定该矿工作面之间的煤柱宽度，从而提高煤炭回收率。

1 工程概况

上榆泉煤矿1008工作面所在区域的地层由老至新主要有奥陶系中统上马家沟组，埋深50～197 m，所采煤层为10#煤层，属低瓦斯煤层、易自燃煤层，自燃发火期一般为3～4个月。巷道采用双巷道布置，由于以往未对巷道间煤柱应力演化规律进行系统研究，2条巷道间的煤柱尺寸主要依靠经验选取(留设煤柱宽度为20 m)。该类大煤柱方案大大降低了煤炭采出率，造成资源浪费，同时由于1008工作面顶板坚硬，加之大煤柱支撑顶板，使悬顶距离加大，导致顶板更不容易断裂，为冲击地压的发生埋下了隐患。此外，10#煤层顶板碎屑岩层含水，虽属弱含水层，但在工作面中北部对应地表有石仁村水库，该水库季节性有水，并对其下部碎屑岩层起着补给作用，随着工作面开采引起的煤层顶板下沉，且由于煤柱宽度过大，其承载性能较好，使得导水裂隙带无法压密闭合，为上覆岩层水体进入采煤工作面提供了通道，随着开采范围的增加，给矿井生产带来了水灾隐患。

2 煤柱尺寸优化数值计算

2.1 数值计算模型

基于实际地质资料，以上榆泉煤矿二采区1006工作面辅助运输巷和1008工作面主运输巷之间的煤柱为研究对象，建立三维数值计算模型，模拟双巷掘进后未受采动影响及受采动影响时，巷间煤柱宽度分别为4，6，8，10 m 时，煤柱内应力演化规律及巷道围岩变形特征。模型尺寸(长×宽×高)为100 m×50 m×80 m，利用FLAC3D软件内置的CABLE结构单元体模拟实际支护条件下的锚索和锚杆，采用莫尔-库伦计算模型，模型共有427 533个单元体。

2.2 煤柱尺寸优化

4种不同煤柱宽度下煤柱内的垂直应力变化特征如图1所示，巷道顶板垂直应力变化曲线见图2。由图1可知：当留设的煤柱宽度为4 m时，巷道右侧实体煤层中出现应力集中区，导致煤柱未能发挥承载作用，应力集中于下工作面实体煤层中；在其他尺寸煤柱下，应力集中区出现于巷道左帮煤柱中间处；煤柱内应力集中区在6 m宽煤柱时最小，结合图2可知，6 m宽煤柱对应的巷道顶板垂直应力与其余尺寸煤柱对应的巷道顶板垂直应力差别不大，故未受采动影响下，合理的煤柱尺寸应为6 m。

图1 不同尺寸煤柱的垂直应力分布特征

图2 巷道顶板垂直应力变化特征■—4 m煤柱；●—6 m煤柱；▲—8 m煤柱；◆—10 m煤柱

当工作面回采10 m时，不同宽度煤柱对应的应力分布特征见图3，巷道顶板垂直应力变化曲线见图4。分析图3可知：当煤柱宽度为10 m时，回采在煤柱中产生的应力集中区明显大于15 m煤柱和20 m煤柱。由图4可知：当煤柱宽度为15 m时，顶板垂直应力最小，故选择留设15 m宽度煤柱较为适宜。

3 巷间煤柱应力监测

3.1 工作面回采期间煤柱应力分布规律

本研究采用ZLGH-40G型钻孔应力计对煤柱应力每隔2 d监测1次，测点布置见图5。分析图6可知：1#点随着工作面推进，煤柱应力逐渐升高，在距离工作面 30 m左右时达到峰值 6.61 MPa；2#点随着工作面推进，煤柱应力逐渐升高，在距离工作面20 m左右时达到峰值6.70 MPa；3#点在距离工作面20 m左右时达到峰值6.9 MPa；4#点在距离工作面20 m附近达到峰值7.1 MPa；5#点在距离工作面 22 m左右时达到峰值8.3 MPa，孔深增加，应力相对增加较大，符合巷道两帮应力分布规律；6#点在距离工作面20 m左右达到峰值8.53 MPa。分析图7可知：巷道左帮应力小于右帮应力，随工作面推进，测点与工作面的距离减小，受采动影响，煤柱内垂直应力有所升高，但由于比较接近最远采动影响距离，初次实测应力值较小，加之工作面推进速度较慢，故应力升高不明显。

图4 巷道顶板垂直应力变化曲线

3.2 巷道围岩松动圈现场监测

采用钻孔窥视仪观测围岩内部破坏情况，记录围岩破裂的深度和破坏程度。窥视地点布置于上榆泉煤矿1006工作面辅运输巷，测点布置见表1。

在回采工作面附近巷道顶板中间和两帮进行钻孔，为方便进行窥视，顶板钻孔倾角设计为10°。1#点处右帮在距孔口0.21，0.46，0.71，1.02，1.58，1.84 m处存在轻微裂隙，但围岩整体性较好，在距孔口0.92 m处煤层较破碎，其他位置煤层完整，整体性好；该点处顶板在距孔口0.58，1.03 m处存在轻微裂隙，其他位置不存在明显裂隙；该点处左帮在距孔口0.42，0.67，0.81 m处存在轻微裂隙，1.41，1.67 m处裂隙发育明显。根据1#点钻孔窥视结果，可知巷道围岩松动圈范围如图8所示。

图5 煤柱应力测点布置示意

图6 钻孔应力监测曲线■—1#点；●—2#点；▲—3#点；▼—4#点；◆—5#点；◀—6#点

图7 工作面采动应力分布特征■—1#点；●—2#点；▲—3#点；▼—4#点；◆—5#点；◀—6#点表1 1008工作面辅运输巷窥视孔参数

测点编号测点位置钻孔位置钻孔直径/mm钻孔深度/m1#距巷道开口45 m处右帮42.03.8顶板426.5左帮423.52#距巷道开口339 m处右帮42.04.0顶板426.5左帮422.7

图8 巷道围岩松动圈情况

2#点处右帮在距孔口0.35，0.92，1.21，1.63 m处存在轻微裂隙，但围岩整体性较好，在距孔口1.21 m处煤层比较破碎，其他位置煤层完整，整体性好；该点处顶板在距孔口0.25，0.57，0.68，0.84 m处存在轻微裂隙，其他位置不存在明显裂隙；该点处左帮在距孔口0.45，0.94，1.58 m处存在轻微裂隙，1.93，2.12 m 处裂隙发育明显。根据2#点钻孔窥视结果，可知巷道围岩松动圈范围如图9所示。

图9 巷道围岩松动圈情况

4 结 论

(1)未受采动影响时，上榆泉煤矿10#煤层合理的煤柱宽度为6 m，受采动影响沿空掘进巷道时，煤柱留设宽度宜为15 m。

(2)1008主运输巷两帮松动圈范围为1.21～2.12 m，顶板松动圈范围为0.84～1.03 m，可见20 m 煤柱的围岩松动圈范围很小，可以适当减小煤柱尺寸。