冲击地压条件下特厚煤层区段煤柱合理宽度研究

李承军，秦庆举，苗现华，刘 刚

(陕西金源招贤矿业有限公司，陕西 宝鸡市 721500)

目前，我国部分煤矿仍存在依靠经验来确定煤柱宽度，缺乏科学性和针对性。煤柱过窄，虽然能减少煤炭损失，但煤柱容易失稳，不仅给巷道维护造成困难而且容易造成采空区漏风、难以阻挡采空区积水且极有可能发生冲击地压。煤柱过宽，导致煤炭资源的浪费，且难以保证巷道处在支承压力卸压带范围内。对于冲击地压矿井，受采掘影响，煤柱往往受到几个方向集中应力的叠加作用，导致煤柱附近易发生冲击地压[1-2]。因此，合理确定煤柱宽度，兼顾资源回采率、巷道稳定性和安全生产及经济效益是本文研究的重点。

1 矿井概况及地质特征

陕西某矿井设计生产能力2.4 Mt/a。首采区为一采区，北部以33西部采区北部3煤层尖灭线和+980 m水平开拓大巷为界，东部以32采区巷煤层南部尖灭线为界，南以34采区南部和33采区与37采区边界为界，西以34采区下山和33采区与35采区边界为界，面积约9.44 km2。一采区主采煤层为3煤层，厚度1.62～25.79 m，平均13.76 m，为特厚煤层，采用综采放顶煤采煤方法。煤层为易自然发火煤层，并有煤尘爆炸危险性，矿井属于高瓦斯矿井，地温、地压正常。3煤层顶板多为深灰色粉砂质泥岩，厚度0.9～55.2 m，平均5.42 m，个别地段直接与第二段底部砂岩接触；底板为灰黑色炭质泥岩，厚度0.18～19.78 m，平均厚度1.16 m。

根据天地科技股份有限公司出具的《矿井冲击危险性评价与防冲专项设计研究报告》，3煤层地质技术条件评价的冲击危险指数为0.42～0.62，具有弱与中等冲击危险性。

2 存在问题分析

矿井原设计区段煤柱宽度为8 m，既没有经过科学合理计算，又没有充分考虑地质条件，只是根据煤柱留设经验值得出的结果。基于经验留设的窄煤柱，在下一个区段顺槽掘进时由于高应力作用，煤柱破裂导致锚杆安设在破碎围岩中，致使锚固力减弱，支护作用降低。而煤柱破裂又起不到隔离采空区的作用，对采空区漏风供氧，引起煤炭自燃，导致采空区有害气体渗漏到顺槽，难以控制次生灾害发生。彬长矿区的水帘洞煤矿，地质条件与该矿相似，曾进行区段窄煤柱现场工业性试验，结果次生灾害频发，矿井安全生产受到严重威胁。

3 区段煤柱合理宽度的理论计算

回采与新开掘巷道在煤柱边缘会出现数倍于γH的集中应力，在煤柱两侧分别形成一个宽度为R0与R的塑性变形区。当煤柱宽度B小于煤柱两侧的塑性区宽度R0与R之和时，煤柱两侧的塑性区相贯通，煤柱失去稳定性，出现崩塌现象。因此，区段煤柱保持稳定的基本条件是：煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中央区域仍处于弹性应力状态，即在煤柱中央区域保持一定宽度的弹性核。大量现场实践表明，弹性核的宽度不低于煤柱高度h的2倍，即B≥R0+2h+R。根据煤巷两帮煤体应力和极限平衡理论[3-5]，煤柱保持稳定状态的宽度为：

B=R0+2h+R

(1)

式中,B为煤柱宽度，m；R0为上区段工作面开采在煤柱中产生的塑性区宽度，m；h为区段平巷高度，4 m；R为本区段采准巷道在煤柱中产生的塑性区宽度。

式(1)中，R0、R分别由式(2)、式(3)计算：

(2)

(3)

上述相关参数选取根据中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室在该矿+780 m北翼辅助运输大巷顶板岩样、煤样及井底车场底板岩样的力学性能测试结果而定。

经计算，得出煤柱宽度B=26.3 m。

4 区段煤柱合理宽度的数值模拟研究

为了确定煤柱留设参数的合理性，利用FLAC建立模型，模拟不同区段煤柱宽度(4，6，8，9，10，11，13，15，17，19，22，25，29，33，37，41，45，50 m和55 m)时煤柱及其顶底板中的垂直应力分布，从而最终确定区段煤柱留设参数。

图1 部分不同煤柱宽度数值模拟云图对比

根据不同煤柱宽度围岩垂直应力分布可知：当煤柱宽度小于10 m时，煤柱位于应力降低区内，进入塑性状态，所承受载荷较小，应力峰值深部转移(巷道侧)；当煤柱宽度大于10 m以后，煤柱中应力峰值迅速上升，并且开始形成弹性核，但此时的应力集中系数与采空区所形成的应力集中基本相当；当煤柱宽度达到20～25 m左右时，煤柱内应力达到最大值，应力分布性状为单峰值，表明此时采空区与巷道掘进所形成的应力峰值相互叠加最为充分。随着煤柱宽度的进一步加大，煤柱内应力分布逐渐成马鞍状的不对称双峰分布，应力集中程度相应降低，且煤柱内峰值应力逐渐远离巷道一侧。

从矿压防治角度，煤柱过小，起不到保护巷道的作用；煤柱超过一定宽度，造成局部应力集中，在煤柱内形成“冲击核”，导致强矿压显现；煤柱太宽，煤炭资源回采率低。从防治水角度，区段煤柱应能抵抗住来自采空区积水的水压。从防灭火角度，区段煤柱宽度应能保证煤柱具有一定的完整性，可有效防止采空区漏风，达到防火目的；而采用留设小煤柱护巷时，则需要加强防灭火措施。从防治冲击地压角度，根据中国矿业大学《首采区冲击危险性评价及防冲专项设计研究报告》中的煤柱宽高比和承载特性关系，临界煤柱的宽高比介于5～10之间，回采巷道高度设计为3.8 m，煤柱宽度的留设宽度宜小于11.4 m或大于38 m。

综上，综合安全、经济因素，宽度35 m左右的煤柱比较经济合理。

5 结 论

根据极限平衡理论计算，结合数值模拟分析及矿压防治要求，同时考虑对次生灾害(防治水、防灭火、防治冲击地压)的控制，最终确定该矿井区段煤柱宽度为35 m左右。优化后的区段煤柱参数可避开支承压力峰值区，有利于下区段顺槽巷道维护；同时可保证煤柱具有一定的完整性，减少煤炭破碎，控制瓦斯溢出、残煤自燃、采空区水害及冲击地压等次生灾害发生，兼顾了资源回采率，有效保证了矿井安全生产。