复杂地质条件下综放区段煤柱优化

付 晓

（晋能集团锦瑞煤业有限公司，山西 吕梁 033400）

1 工程概况

山西锦瑞煤业为兼并重组矿井，位于河东煤田中段，设计生产能力120 万t/a。矿井主采5、8、9号煤层。5 号煤层地质构造简单，赋存稳定，煤层倾角平均7°，厚度平均6.4 m。矿井现开采5 号煤层一采区，工作面倾向长壁布置，机风巷断面为矩形，采用“锚网喷+锚索”支护，综放开采。如图1 所示。

2 区段煤柱应力分析及变形破坏机理

区段煤柱，另一侧为巷道，巷道开挖后周边煤岩产生塑性变形。上一区段已回采工作面所形成的应力和巷道开挖形成的应力共同决定了区段煤柱的稳定性，其稳定性有三种表现形式：一是煤柱没有出现任何形式的破坏，此种情况煤柱所受的压力小于其承载能力，但此种情况下留设的区段煤柱宽度较大，通常为25～30 m，资源浪费严重；二是煤柱出现一定的变形但在可控范围内，此种情况煤柱所受的压力达到承载能力极限，但之后所受的压力迅速减小，煤柱依靠自身的残余强度来保持稳定；三是煤柱自身的残余强度满足不了承受的压力，煤柱遭到破坏。

图1 5 号煤一采区工作面布置图

3 区段煤柱确定

3.1 煤柱尺寸数值模拟

根据锦瑞煤业一采区回采巷道现场调研情况，利用FLAC3D软件，建立倾斜煤层数值模拟，分析在掘进及回采期间不同煤柱尺寸下垂直应力分布及围岩变形特征，确定合理煤柱尺寸。本次进行分析研究的煤柱宽度分别为5 m、8 m、10 m、15 m、20 m、25 m。

3.1.1 垂直应力分布特征

（1）机巷掘进阶段垂直应力分布

5102 机巷掘进时，根据模拟结果，不同宽度煤柱掘进阶段垂直应力曲线如图2 所示。

图2 不同宽度煤柱掘进阶段垂直应力曲线

由图2 可知，在掘进阶段不同宽度煤柱上的垂直应力峰值分别为16.2 MPa、20.2 MPa、21.7 MPa、21.9 MPa、20.6 MPa、20.0 MPa，最大值21.9 MPa 所对应的煤柱宽度为15 m，以15 m 煤柱宽度为界，其垂直应力峰值先增大后减小。由图可知，煤柱宽度＞15 m 时，煤柱所受压力出现双峰状态，说明此时煤柱内部出现能够保持较高的承载能力，保证围岩不破坏，而且煤柱宽度越大双峰距离越大，煤柱越稳定。

（2）5102 工作面回采时煤柱垂直应力分布

受上区段已回采5101 工作面及5102 工作面回采的影响，其不同宽度煤柱对应的垂直应力曲线如图3所示。本次模拟取值取自超前5102 工作面10 m 处的应力值。

由图3 可知，不同宽度煤柱在回采阶段，煤柱上的垂直应力峰值分别为17.9 MPa、21.4 MPa、22.6 MPa、22.9 MPa、21.8 MPa、21.0 MPa，最 大值22.9 MPa 所对应的煤柱宽度为15 m，结果和掘进阶段一样。以15 m 煤柱宽度为界，其垂直应力峰值先增大后减小。煤柱宽度＞15 m 时，煤柱所受压力出现双峰状态，说明此时煤柱内部出现能够保持较高的承载能力，保证围岩不破坏，并且煤柱宽度越大双峰距离越大，煤柱越稳定。

由图3 分析可以得出，不同宽度煤柱在掘进和回采期间，以15 m 煤柱宽度为界，垂直应力峰值先增大后减小。但在煤柱宽度小于5 m 时，塑性区贯穿整个煤柱，巷道难以维护；煤柱宽度大于8 m时，并未出现应力骤降现象，说明只要煤柱宽度大于8 m，煤柱就能够保持较高的承载力保证其稳定。

图3 不同宽度煤柱回采阶段垂直应力曲线

3.1.2 巷道围岩变形特征

（1）5102 机巷掘进时巷道围岩位移

对模型进行切片处理，截取模型巷道附近的垂直位移云图和水平位移云图，通过不同煤柱宽度下的位移云图判断巷道围岩变形的整体趋势及范围。5102 机巷掘进时，提取巷道垂直位移值和水平位移值，巷道最大变形量如表1 所示。

表1 掘进期间巷道最大变形量

由表1 可知，受已回采的5101 工作面影响及沿空巷道掘进的影响，当煤柱宽度为5 m 时，塑性区贯穿整个煤柱，巷道难以维护；随着煤柱宽度的增加，受影响范围越来越小，巷道两帮及顶底板变形量逐渐减小；在煤柱宽度大于15 m 时急剧变小，并最终趋于稳定。同时根据数据对比，掘进期间巷道管理重点在煤柱帮及顶板。

（2）5102 工作面回采时巷道围岩位移

5102 工作面回采时，取工作面超前10 m 处的位移情况进行分析。表2 为回采期间留设不同宽度煤柱情况下巷道表面最大变形量。

由表2 可知，回采时的变化趋势和掘巷阶段相同，但受采动影响，其变形量较掘巷阶段大，煤柱帮及顶板仍是管理重点。当煤柱宽度为5 m 时，塑性区贯穿整个煤柱，巷道难以维护，随着煤柱宽度的增加，变形量逐渐减小并最终趋于稳定。结合巷道围岩的应力应变情况，煤柱宽度＞8 m 时，能够满足安全生产需要，通过数值模拟煤柱宽度取8 m。

表2 回采期间巷道表面变形量

3.2 基于极限平衡理论的窄煤柱尺寸优化

煤层应力极限平衡区范围内的煤层界面应力为：

式中：

σy-正应力，MPa；

τxy-剪切应力，MPa；

m-煤层平均采厚，m；

β-测压系数，β=μ/（1-μ），μ为泊松比。

合理煤柱宽度B 的计算公式为：

式中：

X1-煤柱的塑性区宽度，即为极限平衡区宽度X0，m；

X2-帮锚杆有效长度，m；

X3-煤柱宽度富余量，其值为（0.3～0.5）×（X1+X2），m。

5102 工作面煤厚平均为6.4 m，泊松比为0.28，侧压系数为0.54，岩层平均容重为25 kN/m3，巷道埋深400 m，锚杆的支护阻力为0.25 MPa，经计算X1=4.1 m。

帮锚杆有效长度X2=1.8 m。

X3=（0.3～0.5）×（4.1+1.8）=1.8～3 m。

由以上计算可以得出， 合理煤柱宽度

B=7.7～8.9 m。

3.3 区段煤柱的确定

根据建立的复杂地质条件下综放区段煤柱在掘进和回采期间的数值模型，模拟出了不同煤柱宽度下的巷道应力应变情况，得出煤柱宽度为8 m，基于极限平衡理论计算得出的合理宽度为7.7～8.9 m，在考虑经济效益的情况下，确定煤柱宽度为8 m。

4 结束语

锦瑞煤业以5 号煤区段煤柱为试验对象，在理论研究的基础上，运用数值模拟，模拟出不同煤柱宽度下的巷道在掘进及回采期间的应力应变情况，得出煤层宽度为8 m，结合理论计算的合理宽度7.7～8.9 m，最终确定煤柱宽度为8 m。锦瑞煤业每年有近2000 m 的沿空巷道，相比按经验留设的25 m 煤柱，优化后每年可多回采近30 万t 煤，在满足安全回采下取得了可观的经济效益，沿空煤柱尺寸的研究模式可以在同类条件下推广应用。