近距離煤層采空區下區段煤柱尺寸優化設計

王貴平

（1.冀中能源邯礦集團 礦山管理分公司，河北 邯鄲 056105；2.山西通洲集團 安神煤業，山西 長治 046500）

唐山溝礦生產規模為1.2 Mt/a，主采區段保護煤層為12 號煤層，平均厚度1.8 m 左右，12 號煤層現有區段保護煤柱的寬度為20 m，其上方保護區段為11-2 煤層采空區，層間距10 m 左右，面臨著近距離煤層采空區下回采的問題，出于對礦井安全生產的考慮，12 號煤層現有區段保護煤柱寬度應設置為20 m，按照工作面平均推進長度1 200 m計算，可得一個區段損失的煤柱煤量約60 480 t，導致了礦井煤炭資源的浪費。為提高現有煤炭的回收率，延長礦井的服務期和管理年限，尋求合理的區段保護煤柱寬度及與其相適應的支護方式意義重大。本文綜合現場調查研究和煤巖物理力學實驗，確定合理的計算參數，通過理論分析，綜合研究了采空區下12 號煤層區段保護煤柱的合理尺寸；并通過數值模擬研究了不同煤柱留設寬度下的回采巷道圍巖應力分布及變形破壞場分布規律，對采空區下煤柱尺寸進行了優化分析，確定煤柱合理尺寸，并在12 煤層試驗應用，為其他煤層工作面或具有類似條件的其他礦山提供參考。

圖1 8210 工作面布置示意Fig.1 Layout of No.8210 Face

1 概 況

8210 工作面位于12 號煤層的北部，該煤層走向NE，傾向為SE，工作面走向長1 406 m，傾角為4°左右；煤層賦存較穩定，煤的普氏系數控制在1.5～2，單一結構，平均厚度為2 m。距上覆11號煤層的層間距平均控制在10.4 m 左右。11 號煤層全區大部分可采，性質穩定，煤厚1.63 ~ 6.32 m，平均2.8 m，頂板巖層主要為粉砂類巖層，中間含有薄層煤線、炭質泥巖類夾層，層理地質構造主要呈傾斜水平層理，含有豐富的動植物和煤質礦物活化石，底板為多層黑灰色細礫質砂巖。12 號煤層從下往上依次發育有5 ~20 cm 厚的薄層粉砂巖，該層薄層粉砂巖較為破碎，易掉落，呈灰黑色。薄層粉砂巖之上為厚2 ~5 m 的細砂巖，該巖層相對較堅硬，單軸抗壓強度47 ~52 MPa，彈性模量5.3~8.1 GPa，顏色以灰色為主。細砂巖之上為厚度大于4.8 m 的中粗砂巖，巖層堅硬，致密，節理裂隙不發育，完整性好，顏色以灰白色為主。12 號煤層單軸強度11.4 ~12.7 MPa，彈性模量2.1~ 2.2 GPa。11 號煤層采用房柱式開采，采10 m煤，留5 m 的煤柱，現有12 號煤層留設煤柱20 m。

2 煤柱尺寸留設理論分析

區段煤柱由于巷道圍巖應力重分布作用，在回采巷道側形成塑性區，由于采空側覆巖壓力作用在采空側煤幫區形成塑性區[1-6]，如圖2 所示。

圖2 煤柱彈塑性變形區及應力分布Fig.2 Elastic plastic deformation zone and stress distribution of coal pillar

區段煤柱在回采巷道左側形成的塑性區寬度用a表示，在采空區右側形成的塑性區寬度用b表示，區段煤柱不發生破壞失穩需要滿足以下條件：回采巷道側和采空側均發生塑性變形后，回采側塑性區和巷道側塑性區之間需要適當寬度的彈性核區，保證煤柱保持穩定，要求彈性核區寬度不小于煤柱高度2 倍。所以，當采用小煤柱或窄煤柱掘巷時，由于煤柱寬度大幅度縮小，發生二者塑性區重疊，回采側和巷道側的塑性區之間缺少彈性承載區，區段煤柱寬度范圍內均呈現塑性失穩狀態，導致煤柱承載力急劇下降。所以，區段煤柱穩定的基本條件是煤柱寬度要滿足式（1）。

根據Mohr－Coulomb 準則計算得出采空區側與巷道側塑性形區的計算公式見式（2） 與式（3）。

采空區側塑性區計算公式：

式中：K 為應力增高系數；Pa 為矸石對煤柱的約束力，MPa；γ 為上覆巖層容重；kN/m3；m 為煤層開采厚度，m；C 為煤體的粘聚力，MPa；φ為煤體的內摩擦角，（°）；f 為煤層與頂底板接觸面的摩擦系數；ξ 為三軸應力系數，

根據對礦井煤巖樣的力學實驗分析，可得φ=35°，C=8.1 MPa，m=2.2 m?；趯μ粕綔系V的前期調研，取f=0.3，K=3.2，γ=25 kN/m3。不考慮矸石對煤柱的約束，即Pa=0。計算得a=6.35 m。

巷道側塑性區計算公式：

式中：β 為矩形巷道塑性區修正系數；P0為原巖應力，MPa；Pi為巷道支護阻力，MPa；r0為巷道最大寬度和高度處的外接圓半徑，m；C 為煤體的粘聚力，MPa；φ為煤體的內摩擦角，（°）；

根據該煤礦的地質資料和前期調研，確定原巖應力P0=γH=6.35 MPa；不考慮巷道支護阻力，取Pi=0。粘聚力和內摩擦角參照力學實驗結果。

矩形巷道塑性區修正系數β 根據表1 確定。

表1 矩形巷道塑性區寬度修正系數Table 1 Correction coefficient of plastic zone width of rectangular roadway

根據巷道尺寸確定β=1.6。將各個數據代入公式，可得巷道的塑性區寬度為b=3.48 m。

故煤柱的寬度L=6.35+3.48+2.2×2=14.23 m。

3 近距離煤層下煤柱尺寸優化

3.1 數值模型建立

因為巷道變形有一定的影響范圍，基于新的彈塑性變形理論，選擇了5 倍以外的區域，用于計算基本模型的變形邊界，計算模型內有11 號、12 號煤層8210 工作面、12 號煤層51211 軌道巷，尺寸為100 m×100 m，使用摩爾-庫侖模型。由于此次開挖巷道平均埋深在220 m 左右，于是原巖應力q=γh＝2 500 kg/m3×10.0 N/kg×220 m＝5.5 MPa。計算時，將模型的上部邊界設置為自由邊界，下部邊界x 方向和Y 方向均設置為固定邊界，不發生位移。在模型兩側，設置為水平方向不能沿X 方向移動，Y 方向可以發生移動。根據井下的地質情況，運用UDEC 大型巖土數值模擬計算軟件，建立12 號煤層的UDEC 數值模擬模型，如圖3 所示。采用數值分析法，分析不同煤柱寬度時巷道圍巖應力場及保護塑性區段分布特點，得出各區段煤柱保護塑性區煤柱寬度之間存在合理差值，且此時有利于巷道圍巖的控制。

圖3 數值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2 不同煤柱寬度時圍巖應力分布

當工作面回采時，煤層挖除以后，煤層周圍巖體應力發生重新分布，其中兩側的煤柱區側向支撐應力集中，當煤柱內集中應力達到某一極限時，會導致煤柱失穩、破壞，影響礦井安全生產，因此，對不同煤柱寬度條件下，煤柱內的應力特征進行分析研究。

數值模擬分析不同煤柱寬度圍巖應力等值線如圖4 所示。不同寬度煤柱垂直應力分布如圖5 所示。

圖4 不同煤柱寬度圍巖應力等值線Fig.4 Stress contour map of surrounding rock with different coal pillar width

圖5 不同寬度煤柱垂直應力分布Fig.5 Vertical stress distribution of coal pillar with different width

隨著煤柱寬度的縮短和減小，煤柱內部應力的分布逐步增加，寬度由15 m 減小到14 m 時，煤柱內應力就會出現跳躍性的增高，整個煤柱處于一種更為高強的應力狀態；煤柱幫側向寬度由20 m 縮小到15 m 時，煤柱幫側向支承壓力增加幅度緩慢，煤柱上的垂直集中應力變??；當區段煤柱尺寸縮小到15 m 以下時，煤柱中部的垂直集中應力峰值隨著煤柱尺寸變小而逐漸增大，應力集中程度也逐漸增大；當煤柱寬度為14 m 時，煤柱幫側向支承壓力值出現跳躍性增加，不利于煤柱側巷幫穩定性的控制。

3.3 不同煤柱寬度時圍巖塑性區分布

回采巷道煤柱受到上方刀柱式開采和該工作面采動雙重應力疊加作用。當煤柱的尺寸偏窄時，荷載達到煤柱的最大極限，會使煤柱出現損傷、失穩；當煤柱的尺寸偏寬時，安全性提高了，卻造成了煤柱部分的煤炭無法回采，造成了資源丟棄損失。安全狀態下的煤柱，在不同的應力作用后，會分為破裂區、塑性區和彈性區。因為煤柱的寬度有很多差異，所以煤柱的中間部分都將出現一個大小不同的彈性核，保證煤柱的穩定性與承載能力。

圖6 顯示了采空區下工作面區段煤柱不同尺寸下的沿空巷道圍巖塑性區區域。當煤柱尺寸由20 m 逐漸減小到15 m 時，煤柱中部出現的彈性區域逐步減小，一直到煤柱全部處于塑性狀態。當煤柱尺寸繼續減小至13 m 時，巷道開挖和工作面回采形成的塑性區相互貫通，煤柱全部發生塑性破壞，而實體煤幫塑性區破壞寬度在4.0 m 左右，頂板煤體塑性區最大破壞深度達6.5 m，底板塑性區破壞深度在3.0 m 左右，巷道圍巖破壞范圍整體較大，不利于巷道圍巖的控制。當煤柱寬度為14 m 時，雖然在煤柱中部也出現了彈性區，但是彈性區的范圍較小，區段煤柱在采空區側的塑性區和回采巷道側的塑性區分布范圍發生了重疊，兩個塑性區連成一片，不利于巷道圍巖的管理與控制。當煤柱寬度大于等于15 m 時，隨著煤柱寬度的增加，煤柱中部出現的彈性區范圍逐步增大，區段煤柱在采空區側的塑性區分布和回采巷道側的塑性區分布，不再重疊，由相互黏連變為逐漸脫離分開，逐步向一個更加有利于巷道圍巖控制的方向轉變；同時實體煤幫的塑性區破壞寬度降低至2.0 m 左右；頂板塑性區受到破壞的范圍也呈現出縮小趨勢，頂板塑性區受到破壞的深度縮小至5.0 m 左右，而底板塑性區受到破壞的深度則基本上保持恒定。通過分析巷道圍巖塑性區分布特征，可以知道，當煤柱寬度為15 m 左右時，有利于巷道圍巖的控制。

圖6 不同煤柱寬度時圍巖塑性區分布Fig.6 Distribution of plastic zone of surrounding rock with different width of coal pillar

通過分析不同的寬度時煤柱周圍巖層的應力場和塑性區域分布特征，可知當煤柱寬度大約為15 m 時，有利于巷道圍巖的控制，提高煤炭資源回收率，達到巷道圍巖控制穩定，促進礦井安全生產。

4 結 論

（1） 通過理論研究，分析了12 號煤層區段保護煤柱的受力特點及其穩定性，得出煤柱內彈性核大小為7 m、塑性區的分布范圍為3～5 m，確定了合理的區段保護煤柱寬度的分布區間為14～18 m。

（2） 通過建立復雜采動條件下區段保護煤柱的力學模型，形成適合12 號煤層的區段煤柱強度理論和公式，經計算得出區段保護煤柱寬度為15 m。

（3） 通過對區段保護煤柱參數及支護形式進行優化，達到提高煤炭資源回收率與礦井安全、高效利用的目的，可為同類煤層的開采提供借鑒。