庞庞塔特厚煤层区段煤柱宽度及稳定性研究

籍 晓 昕

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

1 工程概况

庞庞塔9-101 综放工作面即将回采结束，需进行下区段9-301 综放工作面的准备作业。

图1 工作面布置情况

9-301 综放工作面所采煤层为9#煤层，平均厚度为11.8m，煤层内部含有夹矸，整体煤层为东西方向倾斜的缓倾斜煤层，平均倾角为24°；综放工作面直接顶是5～7m 厚的泥质灰岩，内部裂隙发育，直接底为1～2m 厚的灰色泥岩。9-301 综放工作面距上层煤层采空区平均50.63m，采用综采放顶煤回采工艺，采放比为1：2.69，其中机采高度3.2m，放煤厚度为8.6m，一采一放，采用单论顺序放煤，工作面布置如图1 所示。为进一步提高9-301 工作面的采出率，确定运输巷掘进施工时护巷煤柱的最优宽度，本文以9-301 工作面区段煤柱的合理留设宽度为背景展开研究。

2 理论计算

2.1 煤柱宽度最大值确定

查阅相关文献[1,2]可知，煤柱因矿压造成的变形量、煤柱的自身强度及煤柱实际高度成一定比例关系，关系如图2 所示。观察图可知，当煤柱自身宽度与其高度的比值为3 时，煤柱的变形量则不会超过8mm/m，同时会随着煤柱的强度保持增长的趋势，这种情况下煤体会保持较好的的稳定性及完整性。因此基于此原因，在保持煤柱稳定的同时，尽可能节约煤炭资源，所留设的煤柱宽度与高度之比应小于3，结合庞庞塔9#煤层平均厚度，9-301 综放工作面所留设煤柱宽度应不大于35.4m。

2.2 煤柱宽度最小住确定

对于煤柱本身来说，若其宽度较小，则会在工作面回采时，在受动压影响的情况下，煤柱将会发生不可逆转的破坏[3]，受到破坏后的煤柱，会对巷道的锚杆支护等带来较大的影响；当区段煤柱失去其该有的承载能力时，巷道的稳定也将受到影响。因此，在进行对区段煤柱的宽度计算时，需要在其极限平衡条件下进行计算。如图3 所示。

图2 煤柱尺寸效应

图3 煤柱宽度计算示意

根据煤柱极限平衡理论可知，区段煤柱留设的尺寸须满足以下条件：

式中：B 为煤柱宽度，m；x0为采空区侧塑性区宽度，6.6m；xl为工作面煤柱侧锚支护有效长度，2.5m；xb—煤柱内部的弹性核区，xb=K（x0+xl）=0.5（6.6+2.5）=4.55m，将上述参数代入上式，则区段煤柱的合理尺寸应为：B≥13.65m

由上述分析可知，9-301 综放面的区段煤柱合理尺寸应满足以下条件：

3 数值模拟计算

3.1 模型建立

为确定留设煤柱最宜宽度，通过数值模拟分析不同宽度煤柱下煤体情况。根据庞庞塔煤矿现场取样，通过力学试验所得数据，同时考虑到煤层内节理及断层等影响情况，实际围岩力学强度应小于实验所得参数，因此在进行数值模式时，为更加与实际情况向吻合，需要对模型所附参数进行一定折减。整体模型采用常用的摩尔-库伦模型，计算时，给定模型边界施加位移为0 的限制条件，X、Y、Z 方向位移均为0，全部模型共计66138 个单元。在实验时，模拟的煤柱宽度分别设置为8.0m、10.0m、13.0m、15.0m、20.0m 和30.0m。

3.2 不同宽度煤柱应力分布

通过对不同宽度煤柱内部应力模拟，得到煤柱内部应力变化曲线，如图4 所示。

图4 回采期间不同宽度煤柱垂直应力分布特征

由图4 可知，随着煤柱宽度不断扩大，煤柱内部的应力集中系数与峰值多会出现较为明显的减小。在煤柱宽度小于10.0m 时，会随着煤柱的宽度逐渐变大，其内部的应力集中系数与峰值会增大，但增长趋势较为缓和；当煤柱的宽度大于10.0m 时，其内部的应力集中系数与峰值会降低，且降低的趋势较为快速；在煤柱的宽度逐渐大于30.0m 的整个过程中，则其内部应力集中系数与峰值在减弱，且趋势相当平缓。通过上述分析可以得出，煤柱在宽度15.0～20.0m之间，内部较为稳定，符合实际需求；而30.0m 宽度的煤柱虽然较为稳定，但在实际中对煤炭资源造成大量浪费，因此不宜选用30.0m 煤柱。

3.3 不同宽度煤柱下塑性区分布

9-301 综放工作面在进行回采时，煤柱受回采动压的二次影响，同时煤柱本身受到采空区一旁所形成的支撑压力，在多种影响的情况下，若留设的煤柱宽度过小，则煤柱本身的稳定性将受到破坏。由模拟结果可知，如图5 所示，在煤柱宽度在8.0m 和10.0m时，煤柱两侧的塑性区破坏会沿着煤柱宽度的方向进行，从而对整个煤柱造成影响，此时煤柱内部的的塑性区破坏会从外向内逐渐变弱，当煤柱难以承受支撑压力对其造成的影响，从而造成煤柱不稳定。在煤柱宽度从13.0m 上升到30.0m，此时煤柱内部塑性区未完全联通，巷道塑性区达到1～3m，采空区侧塑性区达到1～6m，煤柱内部弹性区范围是4.2m、9.1m、17.3m、27.4m，在弹性区的范围逐渐增大，煤柱的自身承载能力也会逐渐增大。

图5 回采时不同煤柱宽度下巷道塑性区演变规律

同时对塑性区与煤柱整体面比值特征统计进行分析，分析结果如图6 所示，在图中可以看出，煤煤柱宽度为8.0m、10.0m 时，塑性区与煤柱的整体面的比值超过60%，其中巷道侧塑性区比值超过20%，而采空区侧的比值超过40%，此时的煤柱已难以维持巷道稳定。在随着煤柱的宽度逐渐增大，当宽度为13.0m 时，煤柱塑性区面与其整体面的比值会发生逐渐减小的趋势，塑性区的的占比达到27.81%，巷道侧占8.49%，采空区则为19.44%。当煤柱的宽度增加到15.0m 和20.0m 时，塑性区面与煤柱面占比为16.54%与6.25%，巷道侧塑性区仅为3.89%与1.62%。当煤柱的宽度增加到30.0m 时，塑形区占3.58，巷道侧塑性区则为1.28%。

图6 不同宽度煤柱时塑性区面与煤柱面比值分布规律

通过数值模拟结果可知，达昂煤柱宽度为8.0m与10.0m 时，由于宽度较小，煤层上部岩层造成强大载荷与回采的动压影响，会使得煤柱内部的塑性区发生贯通，煤柱已经失去稳定巷道的作用，对安全造成极大的危害；当煤柱宽度为13.0m 时，塑性区较之前占比较小了一半多；当煤柱的宽度设计为15.0m、20.0m 和30.0m 时，塑形区仅为16.8%、7.1%与3.2%，且巷道侧的塑性区也小于10.0%。考虑到煤柱主要起到保持巷道稳定的作用，因此在此条件下，区段煤柱宽度取13.0m～20.0m 较为合理。

区段煤柱的留设，要在维持巷道稳定的前提下，尽可能的节约煤炭资源，增加煤矿回采率，在经过理论分析与数值模拟，基于煤矿实际情况等多种因素考虑，9-301 综放工作面区段煤柱宽度设计为15m。

4 工程实践

在掘进期间沿空掘巷时，采用高预应力锚杆索加多锚索，辅助以钢带桁架，同时在采空区处进行注浆。根据庞庞塔煤矿现场工作面的实际布置情况，对沿空掘巷围岩稳定进行监测，来探究9-301 综采工作面区段留设煤柱的稳定性及合理性。

在9-301 综放工作面进行布置监测点时，为保证监测数据能较全面的反映巷道的实际情况，防止其他偶然因素造成的影响，决定在下顺槽960m 处进行多点监测，监测断面定为950m、960m、970m，分别对监测点标号为1#，2#，3#。在进行监测计进行安置时，严格按照所确定的点进行安置，不得出现误差。监测数据如图6 所示。

图7 巷道表面位移监测

根据对沿空掘巷巷道围岩变形进行监测，监测数据如图7 所示，由图可得在距离工作面80～100m 内，顶底板移进量达到23mm 左右，两帮移进量达到20mm 左右；当在距离工作面30～80m 时，顶底板移进量最大达到140mm，两帮移进量最大达到253mm；当距离工作面5～30m 时，顶底板移进量最大为213mm，而两帮移进量最大为317mm。通过对巷道实际进行监测，监测结果表明巷道变形在允许范围内，巷道可以正常使用，说明9-301 综放工作面留设15m 区段煤柱可以维持巷道稳定。

5 结 论

本文以庞庞塔9-301 综放工作面留设区段煤柱为背景，结合本矿资料，通过理论计算并辅以数值模拟软件验证等手段确定了合理的15m 宽的区段煤柱宽度。9-301 综放工作面回采过程中，对下顺槽围岩进行表面位移监测，通过对现场监测数据分析研究，可知9-301 综放工作面留设15m 区段煤柱可以维持巷道稳定，煤柱宽度合理，满足工程需求。