王庄煤矿条带充填开采煤柱宽度设计的分析研究

朱钰

（晋能集团生产技术部，山西太原030000）

1 引言

条带开采是常用的特殊开采方法之一，主要是将煤体规则划分，采留相间，达到控制地表发生不利变形的目的[1]。条带开采依据布置形式与开采工艺上进行分类包括：水砂充填条带、分层冒落条带和不规则条带等。尽管该开采方法的煤炭资源采出率低、资源浪费严重。但仍然是我国为了避免村庄搬迁的情况下回收村庄下部的煤炭资源而主要采取的减少地表沉降的采煤方法。因此在面临此类开采需求的情况下，条带开采在各大矿区均有一定的应用。

2 工程概述

王庄煤业304 采区北部有一大块段实体煤，采区上方受沙掌村、平家村保护煤柱的影响，无法布置长壁工作面开采，而又想充分回收这一块煤炭资源，并把条带开采后的巷道充填矸石加以利用，因此在304 采区布置了条带开采工作面，该采区地表标高1 080 m～1 120 m，煤层底板标高950 m～990 m，平均埋深120 m，煤层平均厚度5 m，煤层为近水平煤层，煤层直接顶厚4.76 m，为泥岩、砂石泥岩，基本顶厚5.3 m，为中细粒砂岩，直接底厚2.63 m，为泥岩，基本底厚2.2 m，为砂质泥岩，条带开采采用连采机，开采条带宽6.5 m，沿煤层顶底板掘进，采高5 m。

3 压力拱计算最大开采条带宽度

经典压力拱理论认为，井工开采过程中开采范围上方会自然促使压力拱结构的形成，上方压力拱承载结构形成后拱上方岩层传递的载荷中很少一部分载荷分量会施加在回采工作面直接顶板上，其余部分的上方岩层载荷会通过压力拱结构内下方回采工作面两侧实体煤拱脚间进行转移，压力承载拱的内跨度LPA主要受回采工作面上覆岩层结构的厚度(井工开采回采工作面埋深H)的影响，压力承载拱的外跨度LPB则受上覆岩层内部组合结构的影响，如图1所示。压力拱的内跨度LPA如公式（1）所示：

如果回采工作面宽度大于压力拱的内跨度LPA，则工作面煤层的载荷受力分布会变得比较复杂，其中压力拱中的一个拱脚位置在待回采的实体煤上，另一个拱脚位置处于在采空区的垮落体上，此时压力拱稳定性较差，极容易受到垮落矸石的变形而导致压力拱的失稳，导致上覆承载结构的破坏，发生大范围的冒落。依据现有的国内外条带开采工艺的实际生产经验，如果使用条带开采技术来达到控制地表沉陷的目的，则两开采条带煤柱之间的工作面长度应小于0.75LPA。根据王庄煤业304 采区巷道埋深未120 m，计算出最大开采条带宽度不大于27.2 m。

图1 压力拱示意

4 煤柱极限宽度的确定

条带开采后受到围岩应力重新分布的影响而形成应力的集中，条带煤柱的边缘一定范围内承载上覆岩层载荷的能力降低，这个承载能力降低的范围称之为条带煤柱的塑性区，塑性区向煤柱中心称之为条带煤柱的弹性核区[2]，如图2所示。

图2 煤柱受力划区分布

条带开采所留设煤柱的弹性核区内范围的煤体处于三向外部受力的状态，由库伦-摩尔准则(M-C准则)可从理论上计算得到留设的条带煤柱的极限强度：

式中：c-条带开采留设的条带煤柱的内部粘结力（MPa），基于岩石力学实验取取值为0.7MPa；

φ-条带开采留设的条带煤柱的内摩擦角（°），取值32°。

如图2所示：在塑性区范围内可认为c=0，在弹性区和塑性区交界点，侧向应力σ3为

式中：k-侧向压力系数，与煤体泊松比有直接关系，且随着垂直应力的增大而增大，王庄煤业3号煤泊松比取值0.32，王庄煤矿研究区域侧压系数取值为0.47，回采工作面距地表的垂直深度取值120 m，回采工作面上覆岩层的平均容重为25 kN/m3。

按照经典的岩体(煤体)极限强度原理，当条留设的带煤柱所承受的上覆岩层传递的外部载荷超过煤柱内部煤体的极限强度时，煤柱就会发生塑性继而发生变形破坏。当条带煤柱所承受的上覆岩层传递的外部载荷小于煤柱内煤体的极限强度时，煤柱处于相对的稳定状态。在确定留设的条带煤柱所能够承受的外部载荷的极限值时可以借助有效支撑区域理论。有效支撑区域理论认为各条带煤柱所承受的载荷分两部分，其一为煤柱上覆岩层的载荷，剩下的为其相邻煤柱共同承担的采空区空间上部岩层所传递的外部载荷[3]。因此留设的条带煤柱的实际有效的工作载荷是在煤柱有效支撑范围内的恒定载荷。通常条带开采中采出煤体的条带宽度较小，已回采空间内一般只有直接顶失稳产生的垮落体，直接顶上方的基本顶处于稳定状态未发生垮落。回采工作面已采空间冒落的矸石量较小而不能接顶，因此该区域内垮落的矸石不能承受上方传递的外部载荷。可认为采出煤体宽度范围内上方岩层的重量发生了应力转移，均转移到工作面两侧的条带煤柱上。设采出煤体的条带宽度为b(b=6.5 m)，回采工作面两侧条带煤柱的设计宽度为a，因此留设的条带煤柱上方岩层传递的载荷Pc为：

式中：γ-覆岩的平均容重，N/m3，

H-平均开采深度，m。当条带煤柱所承载的外部载荷不大于煤柱内煤体的强度，煤柱会保持稳定或者极限稳定。基于此，条带煤柱留设的极限宽度为：

式中：

按照岩体(煤体)极限强度理论计算回采工作面两侧煤柱的设计宽度：根据计算当采深为120 m，设计开采的条带宽度为6.5 m，保证煤柱不坍塌的最小保护煤柱宽度为4.37 m。

5 煤柱尺寸模拟分析

使用美国Itasca 公司开发的有限元分析软件FLAC3D有限元分析软件，基于王庄煤业已有生产经验和目前的生产状况，设计条带的宽度为6.5 m，在此基础上借助FLAC3D有限元分析软件分别模拟开采条带宽度为6.5 m，高为5.0 m 时，留设的煤柱宽度分别为20 m、15 m、10 m、8 m、5 m时的煤柱中出现的塑性变形情况[4]，模拟结果如图3所示。

图3 不同尺寸煤柱的塑性变形特征

由上图所示，在同样的开采条带宽度下，留设煤柱宽度为20 m 时，巷道围岩未出现任何塑性破坏区，15 m、10 m 时，巷道四角区域处出现轻微的塑性变形区，8 m 时四角塑性变形区开始增多，5 m 时，煤柱中出现了大片塑性变形区，煤柱中央有1 m的弹性区，煤柱接近坍塌，和上文计算最小煤柱宽度4.37 m 相符合。因此最佳的煤柱留设尺寸在6.0 m～7.0 m之间最合适。

6 结论

(1) 基于王庄煤业304 采区的地质和岩石力学条件，依据压力拱理论，为使地表不出现波浪式变形，最大的开采条带宽度应不大于27.2 m；

(2)根据公式计算和数值模拟结果综合分析认为王庄煤业304采区内当采条带宽度为6.5 m时，煤柱最佳尺寸宽度在6.0 m～7.0 m之间。