煤峪口矿残采煤柱工作面条件下煤柱的稳定性分析研究

魏川博

（1.中国矿业大学（北京）北京100083；2.晋能控股煤业集团技术中心山西大同037003）

1 引言

在开采煤柱、不规则块段、“三下”采煤等条件下,短壁开采仍然是主要采煤方法[1]。煤峪口矿经过多年开采，一方面是容易开发的煤炭资源面临枯竭，另一方面是资源回采率低导致残留下大量的优质煤炭资源。而如何提高资源回采率、安全、高效、经济地采出因各种原因而遗留在矿井中的煤炭资源是节约资源、延长矿井寿命、增加企业经济效益的重要且常规的做法。刘克功、王家臣[2]等对潞安集团五阳煤矿“三下”残煤短壁式复采工作面的布置方案、回采工艺工程、巷道支护方式和煤柱稳定性等进行了系统的分析与研究。王永春等[3]采用短壁机械化的采煤方法复采了平朔安家岭井工二矿的边角残煤和块段残煤，提高了资源利用率。本文分析研究了煤峪口矿两硬煤层残采煤柱工作面特殊条件下煤柱的稳定性，为下一步回采提供保障。

2 工程概述

煤峪口矿11#、12#煤层合并层412盘区复采煤柱工作面煤层硬、顶板硬、开采过程中来压强度大，煤柱易发生失稳破坏等综合复杂条件，顶板断裂对煤柱稳定性的影响很大。

412盘区走向长度813 m，倾斜长度758 m，412煤柱工作面长度51 m，煤层平均厚度为7m，计划采用综合机械化放顶煤开采，采高3 m，放煤高度4 m。由于生产系统处于掘进初期，缺乏工作面的实际地质资料，以相邻810161工作面的地质资料为研究对象。810161工作面位于11#、12#煤层412盘区中部，地面标高：1 290 m～1 331.7 m，工作面标高：9 93.9 m～1 012.8 m；东隔矿界煤柱，南为81018工作面采空区，西与410盘区巷道相连接，北为81014工作面采空区；上覆3#煤层已采空。

图1 地层综合柱状图

3 区段煤柱稳定性计算

根据实践经验，为保证巷道和煤柱的稳定，将沿空巷道布置在应力降低区内[4]。确定煤柱宽度时，过宽的煤柱会造成回收率降低，煤炭资源浪费，过窄的煤柱会降低煤柱稳定性，给支护带来困难。为分析短壁综放采场的侧向支承压力的分布，根据理论分析简化，建立力学模型，分析应力峰值点与巷帮之间的距离。由模型的受力状态，列平衡微分方程：

图2 侧向支承压力分布力学模型示意图

式中，fx和fy分别为煤体在x和y方向的体积力，fx=0，fy=mxγ；c为煤层与顶板接触面处的黏聚力，φ为煤层与顶板接触面处的摩擦角，λ为侧压系数。

经计算可以求得极限平衡区x0。此外，稳定的煤柱宽度W还应满足煤柱宽度公式，W=x0+x1+x2，x0为极限平衡区宽度，x1为煤柱稳定系数下增加的厚度，按（x0+x2）的（30%～50%）计算；x2为锚杆有效长度，取1.6 m～2 m；

将m=3 m，λ=0.3，φ=27°，c=1.1 MPa，γ=25 kN/m3，Fx=0.25 MPa，K=1.5，代入得x0=2.56 m。

得出W=x0+x1+x2=2.56+0.3×(2.56+1.6)+1.6=5.41 m

4 煤柱宽度稳定性的数值模拟实验

对5 m、7 m两种煤柱宽度条件下，残煤复采短壁综放工作面及煤柱所受应力和煤柱破坏情况进行数值模拟，得到不同煤柱宽度下不同推进长度的塑性区区域，结果如下：

（1）不同煤柱宽度下不同推进长度的塑性区区域

图3 煤柱为5 m，推进120 m时的塑性区域

图4 煤柱为7 m，推进120 m时的塑性区域

对比煤柱宽度在5 m、7 m的条件下，5 m煤柱具有约1 m左右的非变形破坏区，即弹性支撑区域；7 m煤柱的弹性支撑区域大于1 m；破坏区域与5 m条件下类似，但煤柱的非变形破坏区域的连贯性比5 m时要好，这与理论计算中稳定的煤柱宽度＞5.4 m相一致。

（2）垂直方向不同煤柱宽度的应力云图

图5 煤柱为5 m时垂直应力云图

图6 煤柱为7 m时垂直应力云图

在不同煤柱宽度条件下，沿空护巷煤柱应力较高，5 m时为20.9 MPa，7 m时为21.64 MPa。由理论计算过程中可知，在采空区边界处一定范围存在一个应力降低区，经计算，其分布范围大概在2.6 m，稳定的煤柱宽度大于5.4 m，煤柱宽度越大，必然导致部分煤体处于应力增高区，且在一定范围内煤柱越宽部分煤体所受应力越大。

5 煤柱宽度稳定性的相似模拟实验

鉴于地下采动过程中，初始条件及边界条件的复杂性，数学分析方法只能得到稳定的煤柱宽度的一个运动平衡方程，因此，实验室的相似模拟研究成为较为客观再现煤柱稳定性的简洁的方法。建立残采煤柱工作面模型，几何相似比为1：100。相似模拟实验煤柱 破坏情况如下列图中所示。

图7 相似模拟实验煤柱模型

图8 煤柱宽度为5 m的破坏情况

图9 煤柱宽度为7 m的破坏情况

试验中，以时间作为煤柱稳定性分析的衡量标准。试验数据如下表所示：

表1 煤柱各阶段破坏时间

从对相似模拟模型开始进行实验至实验结束的过程中，对煤柱出现的每一种破坏情况进行时间测量，从表1中可以得出，煤柱宽度越大，出现破坏的时间点越长，表明煤柱越稳定，但不利于提高资源回收率，煤柱宽度并非越宽越好。

另外，实验中可以看出煤柱的破坏形态。在上覆岩层的压力作用下，煤柱发生两种破坏情况，剪切破坏和张裂破坏。剪切破坏主要发生于煤柱宽度为5 m的情况，而张裂破坏主要发生在煤柱宽度在7 m的情况。由上述可知煤柱稳定的宽度在5.4 m，煤柱留设的宽度小于这个值时，煤柱的塑性区占煤柱宽度的比重过大，在塑性区域的发生的弱面结构的抗剪强度小于所承受的剪力作用时，煤柱发生剪切破坏。煤柱的宽度为7 m时，煤柱表面区域发生塑性变形破坏，但内部还存在一个较为完整的弹性支撑区域。随着试验的进行，试验中将煤柱的厚度逐渐减小，在上覆岩层重力的作用下，煤柱的变形破坏区域逐渐向煤柱内部扩展，直至煤柱张裂破坏。可见，当煤柱的宽度在7 m时，煤柱的承载能力较强。

6 结束语

（1）在采空区边缘存在应力降低区、应力升高区及原岩应力区三个区域，残煤煤柱工作面条件下沿空掘巷煤柱应布置在应力降低区，稳定的煤柱宽度为B=5.41 m。

（2）煤柱宽度在5 m和7 m的情况下，煤柱变形破坏区域类似，但7 m煤柱宽度下的煤柱弹性支撑区域的连贯性比煤柱宽度5 m时的要好。煤柱宽度越大，出现破坏的时间点越长，稳定性越好。