宁武煤田5#煤层区段煤柱留设研究

梁国伟

（霍州煤电集团汾源煤业有限公司）

近年来，随着煤矿开采技术的提高，我国煤矿开采速度与质量显著提升。宁武煤田5#煤层工作面属于大倾角综放工作面。在经过基本顶初次垮落后，随着工作面的不断推进，工作面上覆岩层经历“悬露—断裂—转动—下沉触矸”的周期性断裂过程。周而复始的周期破断将伴随整个工作面回采过程，造成工作面不同位置矿压显现频繁。煤岩开采过程中，留设煤柱可以有效保护构筑物、铁路、水体及主要井巷等不受地下开采的有害影响［1-6］。因此，结合开采工作面实际情况，对宁武煤田5#煤层工作面煤柱留设的合理宽度进行研究，对保证巷道围岩稳定性、提高开采安全性具有重要意义。

1 顶底板破坏范围

汾源煤业5#煤层的底板岩石为泥岩，顶板为泥质灰岩，使用经验公式确定5#煤层底板破坏深度：

式中，H为工作面底板破坏深度，m；L为工作面倾斜长度，取100 m。

最大底板破坏深度与工作面的倾斜长度呈一元线性关系，由此可得5-101工作面的最大底板破坏深度为11.7 m。

鉴于实际开采条件，工作面设计采用倾斜—圆弧过渡—水平布置方式，控制设备下滑。运输顺槽沿煤层顶板掘进，回风顺槽沿煤层底板破底掘进。根据煤岩物理力学测试结果，利用FLAC3D数值模拟，对上述工作面布置情况下区段煤柱的合理尺寸进行确定。

选择5-101工作面为背景，建立数值计算模型，煤层及其顶底板岩层厚度均参考矿方钻孔柱状图显示的平均厚度确定，模型模拟高度为124 m，其中模拟顶板厚度为74.5 m，底板厚度为42 m，煤层平均厚度为10.5 m，采高按照2.6 m考虑，放煤高度为7.9 m；模型倾向长度为105 m，走向推进长度为150 m，煤层倾角取5-101工作面最大倾角28°，所建立模型如图1所示，垂直应力分布云图如图2所示。

分别模拟了工作面沿走向推进16，32，48，64，80和96 m情况下，工作面沿倾斜方向顶底板破坏高度（深度），得到如图3所示的模拟结果。

分析图3可知，沿工作面走向方向，当工作面推进距离为16 m时，顶煤及5 m的顶板岩层发生拉伸破坏，剪切破坏高度约为23 m；底板拉伸破坏深度为6.6 m，剪切破坏深度为20 m。当工作面推进距离为32 m时，除顶煤外，还有16 m的顶板岩层发生拉伸破坏，剪切破坏高度为22 m；底板拉伸破坏深度为6.6m，剪切破坏深度为20 m。当工作面推进距离为48 m时，顶板拉伸破坏范围增加到25 m，剪切破坏范围继续发展扩大；底板拉伸破坏深度为6.6 m，剪切破坏深度为20 m。当工作面推进距离为64 m时，顶板拉伸破坏范围增加到27 m，剪切破坏范围为29 m；底板拉伸破坏深度为6.6 m，剪切破坏深度为20 m。

根据以上模拟分析，可知5#煤层综放开采条件下底板破坏深度为6.6 m，为了降低下工作面上顺槽的掘进难度和维护成本，考虑1.5倍的安全系数，设计下工作面上顺槽应布置在距离上工作面下顺槽垂深10 m的位置，考虑煤层倾角为30°的影响，则区段煤柱斜长为20 m。根据5-101矿压分析结果可知，由于工作面矸石的滚落充填作用，大倾角综放工作面整体矿压显现较小，下工作面掘进受上工作面的动压影响相对较小，因此设计区段煤柱斜长25 m是安全可靠的。

2 煤柱宽度理论计算分析

回采与开掘巷道在煤柱边缘处的集中应力比自重应力（γH）大数倍。对一次采全厚的综放工作面护巷煤柱，弹性核的宽度取2倍巷道高度（h）。所以综放工作面区段煤柱保持稳定状态的宽度（B）只要保证B≥R0+2h+R（R0、R分别为煤柱两侧塑性区宽度，m；h为巷道高度，m），即可保证护巷煤柱稳定。

回采工作面推进后，采煤工作面周边煤柱体应力重新分布。根据极限平衡理论可求得回采工作面周边煤体的塑性区宽度R0为

式中，M为煤层开采厚度，m；λ为侧压系数，λ=μ/（1-μ），μ为泊松比，λ=0.22/（1-0.22）=0.282；φ0为煤体交界面内摩擦角，取26.84°；C0为煤体交界面黏聚力，取0.73 MPa；K为回采引起的应力集中系数，按1.5进行计算；H为开采深度，按400 m考虑；γ为上覆岩层平均容重，取25 kN/m3。

故可以求出回采引起的塑性区宽度为R0=9.3m。B≥R0+2h+R=25.6 m。

3 煤柱宽度数值模拟分析

各岩层根据T3钻孔柱状图建立，把相近的岩层合并考虑。模拟过程中，底板厚度为60 m。煤层厚度为10.5 m，煤层倾角为35°。模型上部岩层厚度为300 m。按照等效载荷代替：

式中，H为煤层上方煤岩层的厚度，取220 m；ρ为相应的煤岩层密度，取平均2 500 kg/m3；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

模型立面和底面均采用竖向固定约束。煤岩层物理力学性能参数由试验测定，所建立模型和应力平衡如图4所示。

区段煤柱留设宽度分别为15，20，25，30，35和40 m。区段煤柱的破坏状态见图5，区段煤柱应力分布情况见图6。

从图6可见，受工作面倾角影响，煤柱两侧内部塑性区破坏范围下侧达到10 m左右，上侧达到6 m左右，至煤柱宽度为20 m时，塑性破坏区已经能够连 通，煤柱继续减小时，塑性破坏导致的煤壁变形急剧增加。从破坏区域来看，25 m煤柱尚有部分未产生塑性破坏区域，区段煤柱在下一个工作面回采前能够保持相对完好，不会快速破坏失效。综合考虑，区段煤柱宽度应大于25 m为宜。

从图6可见，2个工作面均回采后，随区段煤柱的减小，煤柱内的应力集中从双峰状逐渐转变为单峰状，至25 m时成为明显单峰状，20 m时由于破坏严重，单峰应力集中呈降低趋势。

理论计算的煤柱留设宽度为25.6 m，综合顶底板破坏规律及矿压分析的结果，区段煤柱应力状态主要受顶底板岩石及工作面长度影响，故取数值模拟结果。

综上分析可知，区段煤柱留设宽度应大于20 m，以不小于25 m为宜。

4 电磁波CT测试

地下电磁波法层析技术（CT）分析测试区域不同范围的电磁波衰减系数差异，识别煤岩体分界、断层、火成岩侵入、溶洞等特殊构造。

4.1 探测设备

探测设备选用JW－6型地下高频电磁波CT系统，设备组件主要包括处理软件、接收机、发射机、天线，安装杆。设备由中国地质科学院物化探研究所研发制造。

4.2 数据采集系统主要技术指标

JW-6型地下电磁波CT系统的主要技术指标如下。

（1）扫频范围：0.5～32 MHz。

（2）扫频间隔：0.1～9.9 MHz。

（3）发射机输出脉冲功率：10 W。

（4）接收机测量范围：0.2µV～30 mV。

（5）接收机输入噪声电平：＜0.2µV。

（6）接收机测量误差：-120～（-30±3）dB。

4.3 布孔方案

由于煤层位于5-1011巷下方，故在5-1012巷外侧对煤柱进行电磁波CT测试，共施工3个探测钻孔，孔深10 m，钻孔间距10 m，1号孔位于工作面位置，具体布置如图7。

4.4 测试

测试分2次进行，第一次以1#孔为发射孔，2#孔为接收孔。第二次以2#孔为发射孔，3#孔为接收孔。探测了从工作面先前20 m范围内煤体电磁波的衰减系数情况，如图8所示。

根据图8所示，钻孔深度0～4 m，电磁波衰减系数为10～17 dB/m，为电磁波衰减异常区，该区域内由于应力集中导致煤体发生屈服。破碎后，其内部形成大量裂隙，说明煤体0～4 m范围内已经出现了煤体破坏现象。 钻孔深度4～8 m，电磁波衰减系数为6～10 dB/m，该区域内应力集中程度较外侧低，煤体出现了塑性变形，内部开始出现裂隙，但整体性未受到破坏，仍具有承载能力。

钻孔深度8～10 m，电磁波衰减系数为3～5 dB/m，为电磁波衰减系数正常区域，说明煤体8 m范围内仍处于原始状态，其应力集中程度未破坏煤体，煤体较为完整。

综上，电磁波CT探测结果显示，煤柱表面至8 m深度范围内为煤柱出现塑性及破坏变形的区域，理论上煤柱宽度为16 m即可保证煤柱的稳定性，但实际生产中为确保煤柱的稳定性，其中心部分保持稳定的部分应大于等于其塑性变形区域，故煤柱的合理宽度定为25 m。

5 结论

本研究基于5-101工作面矿压分析，经理论计算、数值模拟综合分析及电磁波CT探测，确定汾源煤业首采区南翼及2采区区段煤柱留设宽度以不小于25 m为宜。