近距离煤层群开采遗留煤柱下沿空掘巷煤柱宽度研究

张伟光，张腾飞，陈俊智，柏建彪，王捞捞，冯建业

(1.新疆工程学院矿业工程与地质学院，新疆 乌鲁木齐 830023；2.新疆地质灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830023；3.新疆呼图壁县石梯子西沟煤矿，新疆 昌吉831100)

我国煤炭资源赋存以煤层群形式为主，近距离煤层群占比较大，近距离煤层群开采易受二次采动应力场和覆岩运移规律影响，下部煤层开采时极易出现强矿压显现、巷道维护困难、自燃发火等技术难题。近年来国内外学者对单一煤层开采沿空掘巷煤柱宽度合理选择和围岩控制方面进行深入研究。何文瑞等分析指出特厚煤层坚硬顶板综放开采条件下高位关键块体易失稳低位稳定[1]，揭示不同煤柱宽度条件下巷道围岩应力环境；刘垚鑫等通过研究厚煤层沿空巷道煤柱变形破坏与失稳特征[2]，提出以重点加固巷道顶板与中上部煤柱为核心的非对称控制技术；李学华等研究指出将巷道布置在煤体塑性区[3]，掘巷时不会引起支承压力和煤体力学状态的明显变化；文献[4-13]对单一煤层沿空掘巷煤柱尺寸及巷道围岩稳定性分析方面进行了研究。近距离煤层群开采遗留煤柱下工作面沿空掘巷窄煤柱留设较单一煤层复杂，需考虑临近工作面采空区和上部遗留煤柱的双重影响，目前未发现成熟理论可供借鉴参考。

本文以石梯子西沟煤矿东翼采区近距离煤层群开采为工程背景，通过分析近距离煤层群遗留煤柱下工作面区段煤柱承载变形特征，确定工作面沿空掘巷合理窄煤柱尺寸，对优化矿井近距离煤层群开采巷道布置、减少煤炭资源浪费等方面具重要理论价值和现实意义，可为类似条件下巷道布置提供借鉴参考。

1 工程概况

新疆呼图壁县石梯子西沟煤矿采用斜井开拓方式，设计生产能力0.9 Mt/a，B2、B3、B4为近距离煤层，现主采B4和B3煤层，煤层顶底板特征见图1。B4煤层平均厚3.3 m、倾角12°，B3煤层平均厚3.8 m、倾角12°，与B4煤层平均间距6.17 m。西翼采区1E401工作面主采B4煤层，1E301 工作面主采B3煤层。采用综合机械化一次采全高方式开采，目前已回采完毕。西翼采区回采结束后过渡至东翼采区开采1E402 工作面，后续向下开采1E302 工作面，矿井平面位置分布见图2。1E302工作面开采时，采取沿空掘巷方式留设区段窄煤柱，既受邻近1E301 工作面采空区影响，又受上部B4煤层采空区二次扰动和区间遗留煤柱应力集中的影响。因此，应综合考虑确定1E302工作面沿空掘巷窄煤柱留设尺寸。

图1 B2、B3、B4煤层岩层柱状图Fig.1 Histogram of Coal Seams B2,B3 and B4

图2 矿井采掘布局示意图Fig.2 Schematic Diagram of Mining Layout

2 沿空掘巷窄煤柱合理宽度理论分析

以B3煤层1E301 和1E302 工作面开采为例，邻近工作面（1E301 工作面）回采后，采空区上覆岩层跨落，在煤柱边缘形成侧向支承应力，沿实体煤一侧依次形成破碎区、塑性区和弹性区。如开巷后煤柱留设宽度过窄，锚杆将安装在破碎围岩区，受支承压力影响严重，锚杆锚固力减弱，巷道围岩变形难得到有效控制。如留设在弹性区，煤柱尺寸过大造成煤炭资源损失。因此，合理确定沿空掘巷位置至关重要。首先从理论上分析窄煤柱变形破坏特性，据极限平衡理论，建立窄煤柱合理宽度计算模型（图3）。由图3可知，窄煤柱尺寸B的计算包括3部分：

图3 窄煤柱宽度计算模型Fig.3 Calculation model of narrow coal pillar width

式中：x1—邻近工作面开采后在煤体中产生的塑性区宽度，极限平衡区宽度为X1；

x2—锚杆支护长度；

x3—考虑煤层厚度的煤柱稳定系数，按(x1+x2)(10%～30%)估算。

极限应力平衡区宽度x0计算式为[19-20]：

式中：m为煤层平均采厚；A为侧压系数；φ0为煤层与顶底板岩层交界面的内摩擦角；C0为煤层与顶底板岩层交界面的黏结力；K为应力集中系数；γ为岩层平均容重；H为煤层埋深；Px为煤帮的支护强度。

据石梯子西沟煤矿的生产地质条件：m=3.8 m，A=1.15，φ0=59.6°，K=1.5，γ=0.025 kN/m3，H=213 m，C0=1.9 MPa，Px=0.5。带入公式（2）得出x0=x1=2.27 m，支护中锚杆有效长度x3为2.2 m，将以上参数代入公式（1）中可得：

B=2.27+L 锚杆+0.1（2.27+L 锚杆）=4.92 m。

即，1E302 工作面窄煤柱合理宽度应不小于4.92 m。

由式（2）看出，窄煤柱合理宽度影响因素较多，主要受上部B4煤层采空区和遗留煤柱应力集中影响，工作面开采活动必然引起上部岩层结构二次失稳变形，载荷向下传递至煤柱使煤层与顶板界面接触性质发生变化，导致应力集中系数K和界面黏结力c0发生变化。这里列出窄煤柱宽度B随K和c0的变化规律（图4）。分析可知，窄煤柱宽度随应力集中系数增大而增大，呈正相关关系；随界面黏结力增大而减小，呈负相关关系。

图4 窄煤柱宽度随影响因素变化规律分析Fig.4 Analysis on the variation of narrow coal pillar width with influencing factors

3 近距离煤层群沿空掘巷数值模拟

3.1 计算模型

模型以石梯子西沟煤矿实际生产条件为依据，顶板为粉砂岩、泥质粉砂岩、粗砂岩、泥岩、粉砂质泥岩，底板为粉砂岩、泥质粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩。B4煤层平均埋深202 m，上覆岩层平均容重为2.5 kN/m3，侧压系数1.15。通过将上覆岩层岩性相近层位合并，综合考虑各层位岩性等因素，将模型划分为5 层。采用FLAC 软件建立数值模型，尺寸为200 m×70 m×50 m，模型Z 方向固定下部边界、上部施加垂直应力为5.05 MPa，X 方向施加水平应力为5.81 MPa，Y方向施加水平约束，按平面计算。模型中各层位岩层物理力学参数见表1。

表1 数值计算中各岩层的物理力学参数值Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock stratum in numerical calculation

数值计算过程中，首先建立FLAC3D模型，运算至原岩应力平衡；其次依次开挖B4煤层1E401 工作面、B3煤层1E301 工作面、B4煤层1E402工作面，再次计算至应力平衡状态，提取下位B3煤层1E301 邻近工作面1E302 工作面内应力数据，分析下位煤层侧向应力分布规律；然后留设不同煤柱宽度开挖1E302 工作面回风顺槽，再次计算至平衡，提取1E302 回风顺槽煤柱侧、实体煤侧应力及变形数据，分析不同煤柱宽度煤柱承载特性及巷道围岩活动规律。

3.2 遗留煤柱应力集中作用分析

模拟上位B4煤层1E401 工作面、1E402工作面上顺槽沿空掘巷煤柱宽度为5 m时，1E402工作面回采后，下位B3煤层1E301工作面采空区边缘煤体垂直应力分布云图见图5，侧向采动应力分布曲线见图6。由图5、6 可知，1E301 工作面采空区边缘煤体为0～8 m，垂直应力较小。随距离1E301工作面采空区距离的增加，位于上位B4煤层窄煤柱正下方附近区域内煤体均处于压缩状态（垂直应力为负值），且垂直应力处于峰值状态。当远离窄煤柱时，垂直应力开始降低，下位B3煤层1E302 工作面上顺槽布置位置应避开B4煤层窄煤柱应力影响范围。选择在1E301工作面采空区边缘留设小煤柱布置或留设较大区段煤柱，完全避开B4煤层窄煤柱应力影响范围。从提高煤炭资源开采率角度，选择留设窄煤柱布置在1E301上顺槽附近更合理。留设不同尺寸窄煤柱宽度影响巷道围岩变形规律，在0～8 m 范围内分别建立窄煤柱宽度为3 m、5 m、7 m的三维数值模型，研究分析煤柱承载特性及巷道围岩稳定状态。

图5 B3煤层1E301工作面采空区边缘煤体应力分布Fig.5 Stress distribution of coal body at the edge of goaf in 1E301 working face of B3 coal seam

图6 1E301工作面边缘煤体侧向支承压力（垂直应力）分布Fig.6 Distribution of lateral abutment pressure(vertical stress)of coal body at the edge of 1E301 working face

3.3 窄煤柱宽度变化时承载特性分析

不同煤柱宽度条件下工作面沿空巷道掘进后应力及塑性区分布特征见图7。由图7 可知，当煤柱宽度为3 m时，巷道处于侧向采动应力降低区内。由于巷道处在围岩破碎区，锚杆锚固力减小，巷道围岩变形难以控制。当煤柱宽为5～7 m时，煤柱侧垂直应力呈单峰分布，开始出现较稳定的承载核，应力峰值随宽度增大而增大。

图7 不同煤柱宽度1E302上顺槽两帮垂直应力分布规律Fig.7 Vertical stress distribution law of the two sides of the upper chute with different pillar widths 1E302

4 窄煤柱合理宽度确定及工程应用

4.1 窄煤柱宽度确定及巷道支护方案

前文理论分析指出窄煤柱合理宽度需大于4.92 m。由三维数值模拟运算可得，受遗留煤柱应力集中作用影响，巷道应布置在煤柱边缘0～8 m，当煤柱宽度大于5 m时，煤柱中开始出现较稳定的承载核。从煤柱应力环境、承载特性、资源开采率角度综合考虑，初步确定窄煤柱宽度为5 m。掘进巷道断面尺寸为：4.8 m×3.8 m，巷道断面支护方案见图8。

图8 1E302工作面上顺槽支护断面图Fig.8 Section of upper channel support of 1E302 working face（单位：mm）

4.2 巷道支护效果监测结果

①巷道围岩变形总体控制效果较好，顶底板最大移近量270 mm，两帮最大收缩量100 mm；②巷道顶板无明显离层，巷道断面整体较完整，对维护巷道稳定性作用明显；③巷道顶板锚索受力荷载整体不显著，最大荷载值为205 kN，锚索抗拉强度不小于400 kN，延伸率不小于3.5%，荷载值在锚索受力范围内。

5 结论

（1）基于极限平衡理论建立1E302工作面沿空掘巷窄煤柱宽度计算的力学模型，表明工作面窄煤柱宽度应不小于4.92 m。沿空掘巷窄煤柱宽度与应力集中系数呈正相关关系，与界面黏结力呈负相关关系。

（2）三维数值模拟计算显示，受遗留煤柱应力集中作用影响，巷道应布置在煤柱边缘0～8 m 范围。当煤柱宽度大于5 m 时，煤柱中出现较稳定的承载核。初步确定窄煤柱宽度为5 m，与理论计算相吻合，现场应用表明巷道支护效果良好。

（3）应从煤柱应力环境、承载特性和资源回收率等角度综合考虑，确定近距离煤层群开采遗留煤柱下沿空掘巷煤柱的合理宽度，为类似条件下窄煤柱合理宽度计算提供借鉴和参考。