上下分组开采工作面煤柱留设尺寸研究

赵树宇

（山西晋神沙坪煤业有限公司，山西忻州034000）

煤矿井下开采过程中，煤柱留设尺寸是工作面布置设计中需要考虑的一个重要部分。煤柱尺寸留设太小不利于巷道维护，留设尺寸太大容易煤炭资源的浪费，所以在设计留设煤柱时，应合理考虑其尺寸大小[1-2]。因此，为确保工作面安全回采，以隆安矿11302工作面为例，结合工作面地质条件，对其煤柱尺寸留设情况进行研究分析。

1 工程概况

泰山隆安煤矿目前主采11#煤层，11#煤层分为2层，从巷道揭露情况看，11#上组煤厚度1.2～1.7m，11#下组煤厚度1.8～2.6m；11#上组煤与11#下组煤平均层间距为2.0m；11#煤下组煤厚度总体呈由东向西，由北向南逐渐变厚的趋势。11#上下两组煤开采时，采用下组煤工作面较上组煤工作面外错的方式布置，把下组煤巷道布置在上组煤工作面煤柱之下。11302上工作面与11#下组煤工作面煤柱尺寸目前没有确定。

11302工作面位于该矿一采区，北为井田边界及神达望田煤业，南为11#煤采区回风下山，东为实体煤，西为井田边界及保德煤矿。上覆四周均有采空区存在：正上方为泰山隆安煤业8#煤一采区采空区，北部为神达望田煤业东回风大巷，西部为保德煤矿81112工作面采空区，南部为原晋豫煤矿采空区。本工作面所在11#上组煤及其下部11#下组煤均为实体煤。

2 煤柱尺寸留设的基本原则

（1）最大限度减少煤柱损失。当留设的煤柱尺寸较大时，在煤柱两边分别存在一个塑性区，在煤柱的中间区域存在一个弹性区；当留设的煤柱尺寸较小时，煤柱中间区域的弹性变形区会消失，使得煤柱全部处于应力塑性变形区域内。能够将应力弹性区保持住的最窄小煤柱，被称为稳定煤柱宽度[3-4]。但是从缩小煤柱尺寸，减少煤炭损失，提高资源回收率角度考虑，即使不能确保煤柱在受到工作面回采时动压影响后仍能保持一定的弹性区域，但煤柱也不能出现松动变形破坏，而是应保证煤柱在受到工作面回采时动压影响后仍能保持有较高的支撑强度和抗压能力。

（2）适应巷道围岩应力变化规律。工作面巷道围岩应力变化规律对煤柱留设宽度有重要影响。在设计煤柱留设位置时，既要考虑工作面顶板来压时顶板岩层断裂的位置，又要考虑工作面回采结束稳定后煤柱支承压力对顶板长期作用的影响。

（3）确保巷道围岩变形满足生产需要。合理的煤柱宽度能够确保围岩变形量在允许范围内，在煤柱的有效支护状态下，巷道围岩变形后，巷道断面能够满足工作面正常生产期间的通风、运输和行人要求。

（4）满足煤柱自身承载能力。煤柱宽度大小对其自身承载能力影响极大。煤柱尺寸过小，在工作面采动影响下容易遭到破坏，造成巷道围岩变形破坏，巷道失稳，煤柱自身承载能力下降；煤柱尺寸过大，煤炭采出量减少，煤炭资源回收率降低，损失严重。

3 煤柱尺寸及巷道与采空区错距设计

3.1 11#下组煤煤柱尺寸大小设计

根据泰山隆安矿的地质资料，利用FLAC3D建立尺寸大小为500m×60m×50m数值模型，确定11#下组煤煤柱时，分别模拟煤柱尺寸为10m、11m、12m时围岩应力分布情况，考虑现场实际情况，模拟时开挖11#上组煤工作面以及下组煤相邻工作面，开挖情况如图1所示。

图1 11#下组煤煤柱尺寸模拟时工作面开挖情况

对煤柱尺寸10m、11m和12m时的围岩应力分布情况进行模拟分析可知：在煤柱尺寸为10m时，11#下组煤巷道与11#下组煤的采空区之间没有应力降低区，此时煤柱内应力高，巷道维护困难，煤柱尺寸偏小，在此煤柱尺寸下巷道容易发生大变形；在煤柱尺寸为11m时，11#下组煤巷道与11#下组煤的采空区之间有宽度为2m的应力降低区，该应力降低区的存在有利于保持煤柱稳定；在煤柱尺寸为12m时，11#下组煤巷道与11#下组煤的采空区之间有宽度为3.5m的应力降低区，随着煤柱尺寸的增加，应力降低区宽度增加。

煤柱尺寸确定原则是，在能保证巷道安全使用的前提下，确定最窄的煤柱宽度，根据以上研究结果，结合其它采煤工作面实际经验，确定11#下组煤煤柱宽度为11m。

3.2 11#下组煤巷道与11#上组煤采空区错距设计

利用上述建立的模型，确定11#下组煤巷道与11#上组煤采空区错距时，考虑现场实际情况，模拟时开挖11#上组煤工作面，11#上组煤工作面开挖后，巷道围岩应力变化分布具体情况如图2所示，从图中可以看出，在距11#上组煤采空区4m以内时，有明显的应力集中，在下组煤巷道位置布置设计时，巷道最好不要布置在高应力集中区域，结合其它矿井实际经验，确定11#下组煤巷道外错11#上组煤采空区错距为2m。

图2 11#上组煤巷道开挖后巷道围岩应力变化分布情况

综合以上研究，11#下组煤煤柱尺寸确定为11m，11#下组煤巷道外错上组煤采空区错距为2m，再加上运输顺槽宽度5m，回风顺槽宽度4.6m，考虑掘进误差，两条顺槽宽度设为10m。因此，确定11#上组煤工作面煤柱为25m。11#上下两组煤工作面布置情况如图3所示。

图3 11#上下两组煤工作面布置情况

4 现场实测效果分析

4.1 测站布置

为掌握工作面留设的煤柱在工作面采动影响下实际受力情况，在11302上下组工作面顺槽距工作面210m和255m处分别设置2个测站，对巷道顶底板及帮部移近量和煤柱应力情况进行监测。每个测站设置3个钻孔应力测力计观测煤柱应力分布变化情况，钻孔深度分别为5m、10m和15m，间距为2m，距巷道底板高度1～1.5m。同时在每个测站处采用“十字”观测法进行布点观测巷道围岩位移变化情况。

4.2 观测效果分析

每间隔5d对测站观测数据进行采集一次，根据观测数据整理后绘制如图4、图5曲线图。

图4 煤柱应力变化曲线图

图5 巷道围岩位移变化曲线图

从图4中可以看出，设置在深度为5m和15m处的应力计观测数据一直是0，说明在该处的测点处在塑性区未发生变化，而埋深在10m处的应力计数据一直处于上升状态，说明巷道10m位置处于弹性变形区。综上分析可知，在工作面采动影响下形成的巷旁塑性区宽度在5～10m范围内。

从图5中可以看出，随着工作面的向前推进，巷道顶底板移近量和帮部位移量均处于逐渐变大趋势，但最终顶底板移近量为63mm，帮部位移量为21mm。

5 结论

通过数值模拟试验分析，确定了11#下组煤和上组煤工作面留设煤柱尺寸分别为11m和25m时，经现场实践观测结果表明，工作面回采过程中，工作面采动影响对巷道和煤柱影响不大，巷道没有发生大的破坏变形，煤柱也一直保持较为稳定状态，保证了工作面安全回采，证明了留设的煤柱尺寸大小既能保证工作面安全回采，又能减少工作面煤炭资源浪费，该煤柱大小尺寸是合理的，为矿井今后工作面煤柱留设设计提供了极大参考价值。