小保当煤矿保护煤柱尺寸的研究

何 沐

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京100120）

1 概述

小保当一号井设计生产能力1500 万t/a，主要可采煤层2-2 煤，属近水平煤层，煤层厚度平均6.0 m，煤层倾角平均1°，埋深平均350m, 工作面长度350m，顺槽长度6000m 左右，采煤方法为一次采全高。112201 工作面是小保当一号井的首采面，两侧均为实体煤，巷道与2-2 煤西翼回风大巷相连，112201工作面布置四条顺槽巷道，胶运顺槽、辅运顺槽和两条回风顺槽，巷道尺寸为6.0×4.4m,大巷及工作面布置图见图1。

图1 小保当煤矿巷道及回采工作面布置图

小保当煤矿由于工作面采用双U 通风方式，在回采巷道间存在保护煤柱，煤柱的大小直接影响了大断面巷道的支护参数，因此需要提前确定回采巷道的煤柱尺寸，并且巷道尺寸较大，为了提高煤炭回采率，确保工作回采期间巷道的安全，需要合理的确定回采巷道之间的保护煤柱，以及回采巷道的支护方式，为以后巷道的支护提供合理的参考依据[1,2]。

2 煤柱尺寸理论计算

通过分析可知，最小的煤柱宽度应该是由煤柱的两侧的塑性区加上中部的核心区宽度，用公式（1）表达为：

式中：B 为区段煤柱宽度，m；x1和x3分别为煤柱两侧的塑性区宽度，m；x2为核区宽度，m。

采空区一侧的塑性宽度我们有相应的计算公式，因此在另一侧的塑性区宽度计算公式可以表示为：

式中：m 为煤层的开采厚度；φ 为煤层的内摩擦角；d 为开采扰动因子，d=1.5～3.0；C 为煤层的粘聚力；σ1为煤柱极限强度；σx为煤壁的侧向约束应力；

β 为塑性区与核区界面处的侧压系数。[3,4]

图2 合理煤柱宽度计算简图

根据对小保当一号井2-2 煤的特点分析和性能测试，根据相关成果，巷道高度取4.2m，采高定为5.95m，选取塑性区宽度计算的其他参数见表1。

按巷道高度计算得区段煤柱宽度B＝18.68m。

按采高计算得区段煤柱宽度B＝24.17m。

因此，合理的煤柱范围为18.68～24.17m。

表1 计算参数选取表

3 煤柱应力分布规律数值模拟分析

3.1 数值模型

模型以小保当煤矿2-2 煤层条件为依据，模型尺寸为517m×350m×180m（如图3 所示）。

图3 数值模拟模型

为了研究留设不同煤柱宽度时，巷道状态，本次试验建立了3 个不同尺寸的煤柱模型。依次为112201 大采高综采面2 个2-2 煤回风顺槽之间留设15m、20m、25m 煤柱，右侧2-2 煤回风顺槽为留巷。

图4 给出了煤层所在平面的工作面布置概况。图4 中112201 大采高综采面2 个2-2 煤回风顺槽之间的煤柱分别为15m、20m、25m；左边2-2 煤回风顺槽左侧为112201 工作面，约175m；右边2-2 煤回风顺槽右侧为实体煤，宽度分别为315m、310m、305m。

工作面回采后，可以假定采空区的位移以工作面的中心为对称轴，因此左侧边界取半个工作面宽度，以便施加固定位移边界条件。本小节选择图4（a）中的A-A 截面作为研究对象。A-A 截面在模型中与X轴平行，坐标为Z=27，与工作面起始位置的距离为175m，可以避免工作面后方实体煤的影响。该位置的应力分布可以代表整个工作面大部分范围的受力状况。图中-160m 表示112201 工作面距离A-A 截面处为160m，A-A 截面尚未开采；5m 表示112201 工作面已经采过A-A 截面5m，处于采空区内部5m，其余图例中数字的意义可类推。112201 工作面对应的X轴坐标范围为0-175，左侧胶运顺槽对应的X 轴坐标范围为175-181，护巷煤柱对应的X 轴坐标范围为181-196，右侧辅运顺槽对应的X 轴坐标范围为196-202。

图4 煤层平面工作面布置图

3.2 15m 煤柱时工作面回采过程中煤层中部垂直应力分布

模拟了煤柱宽度15m 时112201 工作面回采过程中，A-A 截面处的垂直应力变化过程，从图5 可以看到112201 工作面与A-A 截面距离为160m 时，A-A 截面处的垂直应力大致和原岩垂直应力相当，这说明在采煤工作面前方160m 以外区域，工作面的采动影响可以忽略不计。当距离为70m 时，A-A 截面处已经进入112201 工作面超前应力影响范围，但超前应力值不高，仅超出原岩应力3.42MPa 左右。当距离为10m 时，A-A 截面处超前应力达到最大。当112201 工作面回采经过A-A 截面时，采煤工作面对应位置垂直应力开始下降，煤柱对应位置垂直应力明显上升。当A-A 截面滞后工作面35m 时，A-A 截面上工作面对应位置成为采空区，垂直应力急剧降低，工作面中心应力为2.25MPa，右侧煤柱垂直应力大幅度上升，其中煤柱最高应力达到38.04MPa；当滞后距离为65m 时，A-A 截面上对应的采空区垂直应力上升，在112201 工作面中心应力达到2.94MPa，这说明采空区冒落体正在经历应变-硬化过程，右侧煤柱垂直应力继续上升；此后，这一趋势一直持续到滞后距离大约125m，A-A 截面的垂直应力基本稳定下来，采空区最高应力达到4.43MPa，大约相当47.3%的原岩应力水平，煤柱应力达到20.6MPa，大约相当220%的原岩应力水平。

图5 15m 煤柱时A-A 截面处垂直应力分布与工作面距离关系

3.3 20m 煤柱时工作面回采过程中煤层中部垂直应力分布

图6 所示为煤柱宽度20m 时，112201 工作面回采过程中，A-A 截面处的垂直应力变化过程。由图可知1 当距离为70m 时，A-A 截面处已经进入112201工作面超前应力影响范围，但超前应力值不高，仅超出原岩应力2.84MPa 左右。当距离为10m 时，A-A 截面处超前应力达到最大，超前应力最大值为16.15MPa，超出原岩应力约6.78MPa，最大值出现在距护巷煤柱左侧约9m 位置。

当112201 工作面回采经过A-A 截面时，采煤工作面对应位置垂直应力开始下降，煤柱对应位置垂直应力明显上升。当A-A 截面滞后工作面35m 时，A-A 截面上工作面对应位置成为采空区，垂直应力急剧降低，工作面中心应力为2.27MPa，右侧煤柱垂直应力大幅度上升，其中煤柱最高应力达到28.62MPa；当滞后距离为65m 时，A-A 截面上对应的采空区垂直应力上升，在112201 工作面中心应力达到2.97MPa，这说明采空区冒落体正在经历应变-硬化过程，右侧煤柱垂直应力继续上升；此后，这一趋势一直持续到滞后距离大约155m，A-A 截面采空区最高应力达到5.24MPa，大约相当55.9%的原岩应力水平，煤柱应力达到35.14MPa，大约相当375%的原岩应力水平。

图6 20m 煤柱时A-A 截面处垂直应力分布与工作面距离关系

3.4 25m 煤柱时工作面回采过程中煤层中部垂直应力分布

图7 所示为煤柱宽度25m 时，112201 工作面回采过程中，A-A 截面处的垂直应力变化过程。由图可知当距离为40m 时，A-A 截面处已经进入112201 工作面超前应力影响范围，但超前应力值不高，仅超出原岩应力3.78MPa 左右。当距离为10m 时，A-A 截面处超前应力达到最大，超前应力最大值为15.66MPa，超出原岩应力约6.29MPa，最大值出现在距护巷煤柱左侧约9m 位置。

当112201 工作面回采经过A-A 截面时，采煤工作面对应位置垂直应力开始下降，煤柱对应位置垂直应力明显上升。当A-A 截面滞后工作面5m时，A-A 截面上工作面对应位置成为采空区，垂直应力急剧降低，工作面中心应力为1.01MPa，右侧煤柱垂直应力大幅度上升，其中煤柱最高应力达到18.00MPa；当滞后距离为35m 时，A-A 截面上对应的采空区垂直应力上升，在112201 工作面中心应力达到2.10MPa，这说明采空区冒落体正在经历应变- 硬化过程，右侧煤柱垂直应力继续上升；此后，这一趋势一直持续到滞后距离大约155mm，A-A 截面采空区最高应力达到4.61MPa，大约相当49.2%的原岩应力水平，煤柱应力达到34.24MPa，大约相当365%的原岩应力水平。

图7 25m 煤柱时A-A 截面处垂直应力分布与工作面距离关系

4 煤柱尺寸合理范围

对现场的条件进行分析后，采用采矿工程设计手册计算出的煤柱尺寸明显偏大，通过采用安全系数法和极限平衡理论两种思路分析护巷煤柱范围为18.68～24.17m[6]，同前文的数值模拟可以看出，我们分别模拟了15m 煤柱，20m 煤柱，25m 煤柱的应力分布特点，同时对应各煤柱中的弹塑性区分布进行了分析，可以看出，20m 煤柱时，煤柱中间具有一定的弹性区，具有一定的富裕支护强度，同时结合周围矿井的开采实例，小保当煤柱的运输巷和轨道巷的煤柱尺寸按照20m 进行留设。

需要指出的是，对于辅运巷这种二次复用巷道普遍存在巷道底鼓问题，因此，在复用之前一般都要进行起底处理[8]。另外，二次动压巷道的稳定性与煤柱尺寸和巷道的支护形式都密切相关。因此煤柱尺寸的优化和二次动压巷道支护技术的研究同等重要[7]。

通过数值模拟分析，在随着煤柱宽度增加，A-A煤柱区域应力显示降低趋势，但20m 和25m 煤柱的应力最大值相似，煤柱中间均出现弹性区，具有一定的富裕支护强度[9]，同时结合周围矿井的开采实例和理论分析，综合确定小保当煤柱的运输巷和轨道巷的煤柱尺寸按照20m 进行留设。