大倾角厚煤层综采面回采对邻近煤柱和掘进面的影响研究

王正帅，刘 军

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

随着煤炭供给侧结构性改革的深入推进和产业结构调整，我国煤矿单井平均产能已达92万t/a，千万吨级生产煤矿42处，千万吨级在建和改扩建煤矿37处(截至2018年底)，开采强度快速增大的综合机械化开采是我国煤层开采的主要方向[1]。工作面回采时，区段煤柱两侧巷道位于应力增高区内受采动影响，煤柱尺寸过小时难以保证巷道稳定，煤柱尺寸过大又造成资源浪费，因此工作面区段煤柱合理宽度的确定对提高资源利用率和安全开采起着重要作用[2]。多年来，诸多学者对采场支承压力分布[3-4]、不同尺寸煤柱破坏倾向性[5]、煤柱稳定性评价[6-7]、煤柱合理宽度[8-10]等开展了研究。伍永平等[11-15]通过理论分析、物理模型试验、现场实测等方法研究发现大倾角煤层特殊的赋存条件，造成大倾角煤层开采中顶板空间应力场的分布规律、顶板破断垮落后所形成的围岩结构等较缓倾斜煤层开采时异常复杂，大倾角煤层开采中的矿压显现规律总体呈现出非对称特征，导致煤柱受力复杂、维护难度大。本文在已有研究基础上，采用数值模拟方式，根据地质条件研究大倾角厚煤层开采时区段煤柱合理宽度的范围和回采面回采对邻近掘进面的影响，并通过现场应力监测验证数值分析结果的准确性，为矿井煤柱留设宽度的选择及优化提供依据。

1 工作面概况

新疆南山煤矿B8煤层B801工作面为矿井首采工作面，走向长950 m，倾向长114～136 m，切眼处长度114 m，走向长壁后退式一次采全高采煤法，全部垮落法处理采空区顶板。煤层倾角38°～42°，煤层厚度4.2 m，结构稳定、全区可采，为高挥发分弱黏结煤，与下部B7煤层间距平均6.55 m，与上部B9煤层间距平均21.2 m。伪顶为厚0.2 m的灰黑色泥岩，坚固性系数2；直接顶为厚20.2 m的灰黑色粉砂岩，基本顶为厚14.6 m的浅黑灰色细砂岩，直接底为厚1.2 m的灰黑色细砂岩，坚固性系数为4～6。

2 区段煤柱受力特征

2.1 不同倾角煤层煤柱应力分布

为研究不同煤层倾角条件下区段煤柱受力特征，根据南山煤矿地质资料，建立煤层倾角分别为35°、40°、45°，区段煤柱为20 m的几何模型，采用FLAC3D进行数值模拟。不同煤层倾角工作面及区段煤柱的垂直应力分布如图1所示，应力曲线如图2所示。

图1 不同煤层倾角区段煤柱垂直应力分布

图2 不同煤层倾角区段煤柱垂直应力曲线

从图1、图2可知，大倾角煤层工作面区段煤柱集中应力最大值位于煤柱上部靠近上区段工作面的顶板处；随着倾角的增加，集中应力作用点向顶板上部(煤柱上端)及工作面煤壁内部转移，当工作面倾角为45°时，煤柱出现非对称的“马鞍形”应力分布曲线，说明煤柱受到的工作面与煤柱侧叠加应力并非均匀分布，靠近上区段侧的应力集中明显高于下区段侧。

2.2 不同宽度区段煤柱受力特征

分别建立煤柱宽度为5、10、15、20、25、30 m的数值模型，煤层倾角40°，工作面倾向长114 m，采高4.2 m，进行数值模拟分析，研究不同宽度区段煤柱的受力变形和破坏规律，以便确定区段煤柱的合理尺寸。工作面回采后，工作面应力分布及不同宽度区段煤柱的垂直应力分布云图如图3所示，应力曲线(测线与巷道底板高度一致)如图4所示。

从图3可知，大倾角煤层工作面应力集中区域与缓倾斜煤层表现出明显不同，应力集中主要位于工作面上端部往上3 m左右范围内的底板和下端部往下20 m左右范围内的顶板中。从图4可知，当煤柱宽度为5～10 m时，煤柱整体承载压力较大，巷道处在应力集中区内。当煤柱宽度为15～20 m时，巷道逐渐远离应力峰值；当煤柱宽度大于20 m后，煤柱所受应力呈“马鞍形”，说明煤柱中已出现明显的一定宽度的弹性区域。因此，从数值模拟分析看，区段煤柱宽度15～20 m较合适。

图4 不同宽度区段煤柱垂直应力曲线

3 回采对邻近掘进面的扰动

采用FLAC3D模拟分析B801回采面回采对邻近下区段工作面回风巷掘进面的影响。模型长度700 m，宽250 m，高322 m，工作面倾向长114 m，区段煤柱宽20 m，煤层倾角40°。工作面布置及模型尺寸如图5所示。

图5 工作面布置及模型尺寸

首先，在初始模型基础上回采工作面100 m，相邻下区段工作面回风巷掘进100 m后停掘，此时回采面和掘进面相距400 m。此后，工作面每次回采40 m，两面距离缩短40 m，直至回采工作面越过掘进工作面120 m，即两面相距-120 m。模拟结果如图6所示。

图6 回采工作面对邻近掘进面的影响

由图6可知，两面相距400 m，回采面周围压力最大值11 MPa，位于运输巷一侧，相邻掘进面最大压力6 MPa，两面没有互相扰动影响。两面相距200 m，回采面周围最大压力值16.3 MPa，位于两巷侧，工作面前方压力最大值为11.2 MPa，其相邻掘进面最大压力为6.2 MPa，两面开始有扰动影响。两面相距0 m，回采面周围最大压力值为17.5 MPa，位于运输巷侧，工作面前方压力最大值为12.8 MPa，其相邻工作面回风巷最大压力为7.9 MPa，两面相互扰动加剧。两面相距-40 m时两面之间的扰动基本达到最大值，回采面周围压力最大值为17.5 MPa，位于运输巷侧，工作面前方压力最大值为13.2 MPa，其相邻工作面回风巷道最大压力为8.5 MPa。

4 现场煤柱应力监测

根据数值模拟结果，矿井确定首采工作面的区段煤柱宽度为20 m，在下区段回风巷掘进工作面掘进至距离回采面260 m时停止掘进，开展区段煤柱应力监测。从停掘的回风巷内向区段煤柱中施工钻孔布置应力测点，采用钻孔应力计监测煤柱受力变化情况，在煤柱内共安设9个钻孔应力计。钻孔垂直煤柱煤壁施工，开孔高度1.2 m，孔径42 mm。应力计的安装深度分别为18、16、14、12、10、8、6、4、2 m，编号依次为1号—9号。从掘进面退后1 m开始安装1号钻孔应力计，此后每后退5 m安装1个，监测回风巷掘进面之后长40 m的煤柱范围。应力传感器的初始值设置为4 MPa。回采工作面与掘进面相距400、218、0、-46 m时煤柱的压力如图7所示。

图7 区段煤柱沿倾向压力分布

经过对数据和变化曲线的分析，当回采面距离掘进面218 m时，煤柱压力出现变化，1号—3号测点压力开始升高，表明回采面与掘进面已开始互相扰动；当回采面越过掘进面46 m后各测点压力值变化较小，表明工作面回采对区段煤柱的影响已经趋于稳定，煤柱压力与未受回采影响时相比增加了40%～60%，说明回采对区段煤柱影响十分明显，造成应力在区段煤柱上叠加集中；煤柱靠近运输巷侧应力集中明显大于下区段侧。

由图7可知，煤柱靠近上区段侧塑性区范围约6 m(塑性区1)，靠近下区段侧塑性区范围约4 m(塑性区2)，煤柱中部的弹性核宽度约为10 m。根据弹性核理论，中部10 m宽的弹性核大于2倍的采高，因此20 m宽的煤柱能够保持稳定。根据弹性核理论计算认为，最佳煤柱宽度为18.4 m。

5 结论

(1)大倾角煤层工作面应力集中区域与缓倾斜煤层明显不同，煤柱受到的工作面与煤柱侧叠加应力并非均匀分布，靠近上区段侧的应力集中明显高于下区段侧。

(2)当前南山煤矿B8煤层大倾角工作面20 m宽区段煤柱能够保持稳定；大倾角煤层区段煤柱中能够存在弹性核，通过弹性核理论计算得到其合理区段煤柱宽度为18.4 m。

(3)回采工作面与相邻掘进工作面相距218 m时开始相互扰动，两面之间的最大扰动影响发生在回采面越过掘进面46 m时，煤柱压力与未回采影响时相比增加了40%～60%，回采对区段煤柱影响十分明显。