新窑上煤矿大采高综采工作面合理煤柱尺寸留设研究

张学亮

(北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京 100013)

区段煤柱留设位置及尺寸是影响工作面布置优化的重要因素，在一些地质条件好的矿区，工作面布置主要取决于区段煤柱合理尺寸和上下煤层间的层位关系。由于煤矿开采条件的复杂性，区段煤柱的留设多按经验进行。国内外学者对区段煤柱的留设尺寸进行了广泛的研究，针对煤柱强度及其荷载分析，国外学者提出了10余种煤柱强度计算公式，以及压力拱理论、有效区域理论和威尔逊理论[1]。国内学者提出了大板裂理论[2]并发展完善了极限平衡理论[3]，开展了基于钻孔煤粉量变化规律[4]、煤柱应力变化规律、相似模拟、数值模拟以及高精度微地震[5]等方面的研究。

针对涉及多煤层开采的大采高综采面，一方面要考虑本煤层工作面间区段煤柱合理尺寸，另一方面要考虑煤层间工作面区段煤柱的空间位置关系，通过合理确定区段煤柱尺寸、优化上下工作面的位置关系，实现综采工作面的最优化布置[6-9]。

本文以神木新窑上煤矿5-2煤层综采工作面布置优化为工程背景，通过理论分析和数值模拟分析相结合的方法，对不同宽度区段煤柱、区段煤柱与上层煤区段煤柱的平移距离等位置关系进行研究，得出该矿5-2煤层合理区段煤柱尺寸并最终优化工作面布置。

1 矿井概况

新窑上煤矿位于陕北侏罗纪煤田神东矿区，井田含煤地层为侏罗纪中统延安组，共含可采煤层6层，编号自上而下为2-2，3-1，4-2，4-3，4-4，5-2号。其中：2-2煤层仅赋存于井田西南角和东南部，为柠条塔露天矿开采煤层，其余5层煤为采矿许可证批准的新窑上煤矿开采煤层。

井田内各煤层瓦斯含量很低，瓦斯成分以N2为主，占80%以上；CH4占0～0.91%，瓦斯分带属CO2-N2带。井田内各煤层均属低变质阶段烟煤，煤尘爆炸指数远大于10%，煤层具有煤尘爆炸性危险。井田内各煤层均属易自燃煤层。井田地温情况正常，无地热危害。

矿井3-1煤层全井田赋存，已采用房柱式回采完毕多年，根据推测已经冒落严实；4-2煤层部分采用房柱式开采，后采用长壁开采布置8个综采面，剩余1个工作面的330m尚未回采；4-3煤层首采面剩余140m；4-4煤层暂未考虑回采。

矿井5-2煤层可采厚度5.23～6.12m，平均5.65m，属于厚～特厚煤层，煤层厚度局部有所变化，但规律明显，结构简单，不含或局部含一层夹矸，夹矸厚度一般小于0.20m，夹矸岩性以泥岩为主，属稳定型煤层。5-2煤层与4-3煤层层间距约49.6m。

矿井以往各煤层之间巷道布置采用垂直布置，5-2煤层工作面初步设计沿用经验数据采用区段煤柱宽度20m，工作面长度200m，煤层埋深约225m。

随着4-2煤层回采结束，发现20m区段煤柱能够保证工作面的顺利回采，尚有部分优化空间。为进一步优化区段煤柱宽度，提高采区的资源采出率，针对5-2煤层合理区段煤柱进行研究，并对5-2煤层工作面进行合理布置。

2 理论分析

2.1 工作面布置方式初选

根据上部工作面与下部回采工作面巷道布置的相关关系，下煤层工作面可与上部煤层在空区形成4种布置关系，如图1所示。

图1 下煤层工作面与上部煤层工作面布置关系

图1中(a)为外错布置：下层回采巷道布置在上层工作面的外侧。区段煤柱形成倒梯形，煤柱宽度减小，下层工作面长度加大。虽然工作面煤炭采出率相对较高，但巷道处于高应力集中区，巷道维护难度及费用增加。

图1中(b)为内错布置：下层回采巷道布置在上层工作面内侧，区段之间形成正梯形煤柱。由于区段煤柱宽度加大，下层工作面长度也随之缩短，工作面煤炭损失量相对较大。但是下层回采巷道在采空区低应力下掘进，巷道易于掘进与维护。

图1中(c)为垂直布置：下层与上层回采巷道在平面上垂直布置，上下煤层工作面长度相等，这样可以使上下煤层之间煤柱尺寸相等，减少煤的损失，但给下层回采巷道(主要是极近距离煤层)施工带来一定困难。

图1中(d)为平移布置：为了保证工作面长度，尽量减少煤柱损失，可在下煤层采用平移布置的方式。即其中运输巷布置在采空区下，回风巷布置在上层煤煤柱下，或相反布置。下层与上层煤工作面长度及区段煤柱尺寸相同。

通过分析可知，考虑采用较小的煤柱，以提高资源采出率，可以采用外错式布置减小区段煤柱或采用平移布置后减小区段煤柱的尺寸。

根据弹性力学半平面问题的求解结果可知，在均布载荷条件下煤层底板的应力分布规律如图2所示。

b—煤柱宽度；p—煤柱应力图2 煤柱底板支承压力分布示意

由图2可知，煤柱压力在煤层底板岩层内传递是由近及远、由大到小的。随着远离煤柱，向煤柱底板中的深度愈大，产生的垂直应力愈小，认为0.1p大小的应力对巷道的影响可以忽略不计，即煤柱的应力影响边界在0.1p处。

由于层间距为49.6m，上覆煤柱为20m，垂直下部煤体处于上覆煤柱应力影响0.2～0.25p。煤柱中心应力影响最大，向两侧逐渐减小。

2.2 区段煤柱尺寸

根据弹塑性变形条件下，煤柱的极限平衡力学模型[10]，回采空间(采空区侧)和回采巷道在煤柱两侧分别形成一个宽度为R0与R的塑性变形区，当区段煤柱宽度B小于煤柱两侧形成的塑性区宽度R0与R之和时，煤柱两侧形成的塑性区相贯通，煤柱将发生破坏。

对一次采全厚的综采工作面护巷煤柱，弹性核的宽度取两倍的巷道高度(h)即可，故工作面护巷煤柱保持稳定状态的宽度B≥R0+2h+R，区段煤柱保持稳定状态的宽度为B≥R0+2h+R0。对于下部开采的工作面由于受到煤层条件的限制，区段煤柱宽度至少需要保证B≥2R0，条件能够满足的，再考虑一定的煤柱中部弹性区[11]。

根据极限平衡理论可求得回采工作面周边煤体的塑性区宽度R0为：

式中,M为煤层开采厚度，6m；λ为侧压系数，λ=μ/(1-μ)，μ为泊松比，取λ=0.22/(1-0.22)=0.282；φ0为煤体交界面内摩擦角，取31°；C0为煤体交界面黏聚力，取6MPa；K为回采引起的应力集中系数，按6进行计算；H为开采深度，225m；γ为上覆岩层平均容重，25kN/m3。

故可以求出回采引起的塑性区宽度为：R0=2.08m。

下部工作面煤柱的宽度B≥R0+2h+R0=2.08+2×4+2.08=12.16m。

条件受到限制时，煤柱宽度至少为B≥2R0=2×2.08=4.16m。

分析可见，煤柱采用小煤柱护巷时，宽度需大于4.16m；采用大煤柱护巷时，煤柱宽度需大于12.16m。

3 数值模拟分析

根据新窑上煤矿375号钻孔柱状建立FLAC3D数值模拟模型[12]，煤岩层物理力学参数按岩性的平均取值给定，煤层区域网格划分为1m×1m。

模拟分析5-2煤层巷道布置方式分别为垂直布置(煤柱20m)、外错布置(煤柱10m，12m，14m，16m，18m)、内错布置(煤柱30m)、平移布置(煤柱20m)时煤柱的破坏及应力分布情况，其中平移布置分析平移距5m，10m，15m，20m，25m，30m等6种情况。区段煤柱塑性区分布部分模拟结果如图3所示(部分)。

图3 区段煤柱塑性区分布

通过模拟分析得到，垂直布置煤柱20m时，弹性核区范围14m；内错布置煤柱30m时，弹性核区范围24m；外错布置煤柱分别为10m，12m，14m，16m，18m时，弹性核区范围分别为0m，4m，6m，8m，12m；平移布置煤柱20m，平移距分别为5m，10m，15m，20m，25m，30m时，弹性核区范围分别为15m，16m，17m，17m，17m，17m。

模拟分析可见，随着外错布置煤柱尺寸的减小弹性核区逐渐减小，至外错布置煤柱尺寸10m时，煤柱内的弹性核区减小为0m，此时塑性区已经连通。采用平移布置煤柱20m时，随着平移距减小，煤柱内弹性核区逐渐减小，至平移距5m时，弹性核区范围减小至15m。该模拟结果表明，以上方案中除区段煤柱尺寸10m的外错布置外，其他方案均能满足要求且还有优化空间。

将煤柱中的垂直应力进行提取，得到如图4和图5所示的应力曲线。

图4 不同区段煤柱时煤柱内垂直应力分布曲线

图5 外错布置时煤柱内垂直应力分布曲线

分析图4可见，采用外错布置煤柱尺寸为10m时煤柱内应力集中程度最高，呈现明显的单峰值应力集中状态；随着煤柱尺寸的增大，煤柱内应力水平逐渐降低；至内错布置时，煤柱尺寸为30m，无论是应力峰值还是煤柱内应力水平均为3种布置方式中最低。采用平移布置时，随着平移距的增大，煤柱内应力峰值和总体应力水平逐渐降低，平移距大于15m以后，应力水平降低程度趋于平缓，平移布置煤柱内应力峰值和总体应力水平均低于内错布置。说明平移布置的应力分布总体上最优。

分析图5可见，采用外错布置时，煤柱尺寸为10～12m时煤柱内应力集中程度最高；随着煤柱尺寸进一步增大，煤柱内应力水平逐渐降低，这与理论分析的结论趋于一致。

综合上述分析，采用平移布置时，煤柱内应力水平最低；采用平移布置(平移距>5m)时，煤柱内应力分布最优；采用外错布置时煤柱不宜低于12m。

进一步分析平移布置时的合理煤柱尺寸。采用平移距10m时，分析煤柱宽度20m，15m，10m，8m，6m，5m时煤柱内塑性破坏和垂直应力分布，得到弹性核区范围分别为16m，10m，2m，0m，0m，0m。图6为塑性破坏区域分布情况(部分)。

图6 平移距10m不同区段煤柱宽度塑性区分布

分析图6可见，随着煤柱尺寸从20m逐渐减小，煤柱弹性核区逐渐变小，至煤柱尺寸减小为8m时，煤柱弹性核区减小为0m，煤柱两侧塑性区破坏范围发生了连通。

提取平移距10m时不同宽度区段煤柱内垂直应力变化，如图7所示。分析可见，随着煤柱尺寸从20m逐渐降低至10m，煤柱内垂直应力峰值及总体水平明显升高，至煤柱10m时达到最大；煤柱降低至8m时，煤柱内应力呈现单峰状，应力水平比煤柱10m时有所降低；煤柱降低至6m，5m时，应力水平降低明显，应力呈现单峰状，此时煤柱已经发生塑性破坏，承载能力明显降低。说明平移距10m时，最优煤柱尺寸为10m。

图7 平移距10m不同区段煤柱宽度时煤柱内垂直应力分布

进一步分析平移距10m煤柱10m与外错布置煤柱12m、外错布置煤柱10m时的应力情况，如图8所示。分析可见，采用平移距10m煤柱10m比外错布置煤柱12m和外错布置煤柱10m时应力水平都低。

图8 不同区段煤柱宽度与布置时煤柱内垂直应力分布

综上分析，此方案下，采用平移距10m煤柱宽度10m方案最佳，既可以满足安全回采需要，又能提高煤炭资源采出率。

4 工作面布置优化方案

从矿井平面布置分析得到，新窑上煤矿5-2煤层工作面布置总宽度约1300m，采用一组开拓巷道双侧布置工作面，工作面按200m长度，区段煤柱留设按20m，单侧可划分约6个工作面。

考虑到采用平移布置，且平移距>5m时，区段煤柱留设10m，工作面按200m长度，单侧可布置约6个工作面。边界区域的首个工作面按220m(一侧为垂直布置煤柱20m、一侧煤柱10m平移距10m，其余煤柱均能实现煤柱10m平移距大于10m)，若其他工作面均按220m倾向长度考虑，则单侧可划分5.5个工作面。

考虑到工作面均衡划分，按单侧5个工作面考虑，则取工作面长度约246m。

按照上述工作面布置，可较原方案节省一个工作面的区段煤柱，经计算，可多采出煤炭资源量共计0.99387Mt。

5 结 论

综合分析新窑上煤矿5-2煤层的赋存条件，经过理论分析和数值模拟分析，得到工作面合理布置方式及其区段煤柱尺寸，并对原工作面布置方案进行了优化，主要结论如下：

(1)通过理论分析可知，工作面布置可以采用外错布置或平移布置后减小区段煤柱的尺寸，以提高资源采出率。根据弹性力学半平面问题的分析求解，可采用平移距不低于5m的平移布置。根据极限平衡理论计算得到，不考虑上下层位关系时，采用小煤柱护巷时，宽度需大于4.16m；采用大煤柱护巷时，煤柱宽度需大于12.16m。

(2)数值模拟研究表明，采用外错布置时煤柱宽度不宜低于12m；采用平移布置(平移距>5m)时，煤柱内应力分布最优。在文章设定分析方案下，采用平移距10m煤柱宽度10m方案最佳。

(3)根据上述研究结果，将新窑上5-2煤层原规划单侧共布置6个工作面的方案优化为单侧布置5个工作面，可多采出煤炭资源量共计0.99387Mt。

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