庞庞塔矿10 号煤层综放沿空掘巷煤柱宽度优化研究

王亚飞

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 吕梁 033200）

0 引 言

能源赋存结构特征决定了煤炭是我国的主要消费能源，支撑着国民经济的快速发展，虽然国家推广能源结构向绿色转变，但是煤炭的需求量和开采强度仍然在持续增加[1-2]，目前在中东部矿区，浅部优质的煤炭资源已逐渐开采殆尽，提高煤炭回收率也逐渐引起重视。专家学者提出了无煤柱开采技术，并得到了广泛应用，无煤柱开采技术主要包括沿空掘巷和沿空留巷2 种[3-4]，其中，沿空掘巷是沿上区段采空区留设一定宽度（一般为3～14 m）的煤柱掘进下区段的回采巷道，该技术的在于煤柱宽度的确定，煤柱宽度较宽，煤柱长期受支承压力影响（处于应力增高区），不利于煤柱稳定，而煤柱宽度较窄时则不利于采空区密闭，都会造成适得其反的效果[5-6]，本文以庞庞塔矿10 号煤层综放工作面沿空掘巷为工程背景，通过理论计算综放沿空掘巷煤柱合理宽度，同时进一步采用数值模拟的方法进行10 号煤层综放沿空掘巷煤柱宽度优化研究。

1 工程背景

庞庞塔煤矿位于山西临县，矿井主采太原组中下部10 号煤层，煤厚11.8 m，倾角15°，煤层直接顶为厚16.0 m 的深灰色石灰岩，致密块状，节理发育，性坚韧；伪顶为0.5～1 m 厚的灰色泥岩，中厚层状；底板为3.0 m 厚的浅黑色砂质泥岩，薄层状，裂隙发育。10 号煤层用综放开采工艺，工作面采高3.0 m，放煤高度8.8 m，采放比2.93∶1，采用单向割煤、单轮顺序放煤工艺，一采一放，割煤、放煤步距均为0.8 m。煤层1、7 采区工作面区段煤柱宽度普遍在20 m 以上，煤柱损失量较大，为提高煤炭回收率，庞庞塔矿计划开展区段小煤柱沿空掘巷工业性试验。

2 综放沿空掘巷煤柱合理宽度理论计算

2.1 沿空掘巷覆岩破断模型

工作面自开切眼向前推进一段距离时，首先在悬露基本顶岩层的中央位置及2 个长边位置形成平行的断裂线，然后再在短边形成断裂线，并与长边断裂线相互贯通，最后基本顶岩层沿贯通的断裂线发生回转且形成形成结构块（岩块B 和C），基本顶岩层在采空区中部接触矸石后，运动较平缓，基本顶岩层初次破断后的平面图形近似呈椭圆状，随着工作面的继续推进，顶板岩层周边断裂线回转形成周期性垮落，又形成新的结构块[7]。

在沿空掘巷时，直接顶岩层受到关键块体（岩块B）的运动而旋转下沉，关键块体（岩块B）的稳定情况直接影响到沿空掘巷围岩的稳定，一般来说，煤柱宽度较窄时将无法阻止上覆关键块体（岩块B）的旋转下沉，基本顶岩层破断下沉时，窄煤柱将进入塑性屈服状态，以适应关键块体（岩块B）的旋转下沉，减小对窄煤柱的压力[7]。

图1 沿空掘巷覆岩破断模型

2.2 关键块B 的参数

关键块相关的参数主要包括块体沿推进方向的长度、侧向跨度以及断裂位置。

图2 关键块B 的主要参数

1）关键块沿推进方向的长度L1为基本顶周期来压步距，根据10 号煤层已采工作面矿压显现监测，周期来压平均步距为24 m。

2）关键块侧向跨度L2为基本顶断裂后块体沿采场倾向的悬跨长度，可采用公式（1）计算得到：

式中:工作面取200 m，L1取24 m，计算得到关键块侧向跨度L2=24.6 m。

3）关键块断裂位置一般位于煤体弹塑性交接处，可采用公式（2）计算得到：

式中：工作面采高m取9.89 m（考虑顶煤回收率），侧压系数A取0.2，工作面开采煤层煤体内摩擦角φ0、内聚力C0分别取12°、1.2 MPa，应力集中系数K、上覆岩层容重γ分别取2.5、25 kN/m3，巷道埋深H取400 m。

经计算关键块断裂位置X0=5.0 m。

2.3 煤柱合理宽度的理论计算

煤柱合理宽度应包括煤帮塑性区宽度、锚杆长度以及煤柱安全系数，采用公式（3）计算：

式中:X1为煤帮塑性区宽度，根据关键块断裂位置确定，取5.0 m；X2为锚杆长度取2.0 m；X3为煤柱安全系数取（0.15～0.35）·（Xl+X2）。

经计算，庞庞塔矿10 号煤层综放面区段煤柱宽度应在8～9.5 m 范围。

3 煤柱宽度对煤柱应力演化的影响分析

建立基于庞庞塔矿10 号煤层实际生产地质条件的FLAC3D数值计算模型，分析不同阶段不同煤柱宽度下煤柱应力分布规律。

3.1 上区段工作面回采后围岩应力分布特征

图3 给出了上区段工作面回采后围岩应力分布云图，如图所示，受上区段工作面回采影响，采场围岩应力在较大范围内进行了重新分布，在工作面顶底板岩层中出现大范围的卸压区域，而工作面端头位置出现了应力集中现象，由图可知，在距工作面端头8 m 以内区域为应力降低区，距离工作面端头10～15 m 区域为应力集中区，应力核区内垂直应力最高达30 MPa 以上。

图3 围岩应力分布云图

图4 给出了上区段工作面回采后的侧向支承压力分布曲线图，从图中可以看出，工作面煤层内原岩应力为12.5 MPa，距离采空区边缘0～9.0 m 范围内煤体垂直应力低于原岩应力，属于应力降低区，煤柱内支承应力峰值为32.0 MPa，距离采空区边缘13.0 m，集中系数2.5。

图4 侧向支承压力分布

3.2 掘巷阶段围岩应力分布特征

图5 给出了掘巷阶段煤柱宽度为6、7、8、9 m对应的巷道围岩应力分布云图，有图可知，不同煤柱宽度下的巷道围岩均处于应力降低区，距离巷道上帮5～15 m 区域为煤体应力集中区，应力核区内垂直应力25～32 MPa。

图5 掘巷阶段巷道围岩应力分布

图6 掘巷阶段底板垂直应力分布

图6 给出了掘巷阶段煤柱宽度为6、7、8 、9 m对应的底板垂直应力分布曲线图（取煤层底板以下3 m 沿倾向作1 条观测线），从图中可以看出，当煤柱宽度由6.0 m 增加至9.0 m 时，煤层底板观测线传播的最大应力3.0 MPa 增加至6.5 MPa，均低于原岩应力（12.5 MPa），巷道均处于应力降低区，底板观测线传播应力峰值为26.0～28.0 MPa。

3.3 二次回采阶段围岩应力分布特征

图7 给出了二次回采阶段煤柱宽度为6、7、8、9 m 对应的二次围岩应力分布云图，如图所示，二次回采阶段不同宽度的煤柱都处于卸压破碎状态，虽然巷道围岩处于应力降低区，但煤柱出现了严重的破碎变形，煤柱应力分布对比发现，煤柱宽度9 m时，中部出现宽度1.5～2 m 弹性核区，有利于保持煤柱的稳定性。

图8 给出了回采阶段煤柱宽度为6、7、8、9 m对应的底板垂直应力分布曲线图（取煤层底板以下3 m 沿倾向作1 条观测线），从图中可以看出，当煤柱宽度由6.0 m 增加至9.0 m 时，煤层底板观测线传播的最大应力2.6 MPa 增加至3.5 MPa，均显著低于原岩应力（12.5 MPa），煤柱宽度为6.0 m 时，应力曲线呈单峰分布，煤柱宽度为9.0 m 时，应力曲线呈平底状分布，表明煤柱宽度为9.0 m 时，煤柱整体承载性较好。

图7 掘巷阶段巷道围岩应力分布

图8 回采阶段时底板垂直应力分布

基于煤柱合理宽度的理论计算结果以及不同阶段煤柱宽度对煤柱应力演化的影响规律，同时，考虑到10 号煤层煤质较软、小煤柱易片帮等特点，最终确定10 号煤层综放沿空掘巷煤柱宽度为9 m。

4 煤柱失稳条件分析与防治措施

4.1 煤柱的长期稳定性

工作面区段煤柱受长期载荷作用产生蠕变现象，由此造成煤柱变形能否稳定，主要取决于上覆岩层作用的载荷和煤柱的临界承载能力，如果煤柱承受载荷小于其临界承载能力，那么煤柱仅稳定蠕变，不会造成煤柱破坏失稳，如果煤柱承受载荷大于其临界承载能力，那么煤柱将出现不稳定蠕变，在长期载荷的作用下将导致煤柱的破坏失稳。

由于长期载荷作用，煤柱发生蠕变，煤柱的强度随之降低，因此，保证煤柱的长时强度是煤柱稳定的一个很重要因素，当煤柱的长时强度在允许范围内，煤柱可以长期受载，其蠕变变形属于稳定蠕变，资料表明，井下巷道开挖后，其围岩中的应力重新分布，在初期可保持稳定的围岩，随时间推移最终可能发生失稳破坏。

4.2 煤柱的动力稳定性

煤柱的动力稳定性是指煤柱在时间的推移下能否保持平衡及其内部结构功能的性质，在外界某种因素的扰动下，如果煤柱力学系统能够保持原来的平衡或运动状态，则煤柱力学系统是稳定的，如果煤柱力学系统不能保持原来的平衡状态，则煤柱力学系统是非稳定的，即煤柱的动力失稳就是煤柱在外界动力作用的影响下，平衡状态突然改变的过程[8]。

庞庞塔煤矿10 号煤层采用综采放顶煤技术之后，开采高度加大，顶板破断尤其是直接顶16 m 厚的石灰岩破断有可能导致工作面发生动力灾害，而动力灾害又与煤柱稳定性密切相关。矿井动力灾害发生时，煤、岩力学系统释放巨大能量，从而导致煤柱的动力失稳，引发顶板的大面积垮落。

4.3 煤柱失稳防治措施

根据煤柱的长期稳定性和动力稳定性分析，煤柱失稳的条件主要有：①煤柱承载能力低于所受载荷；②煤柱的长时强度小于其发生非稳定蠕变时的载荷；③煤柱的瞬时强度小于所受动力载荷[9]。

1）提高煤柱的承载能力。根据A.H.Wilson 煤柱力学模型，煤柱的极限承载能力和煤柱宽度直接相关，要提高煤柱的承载能力最方便的手段就是增大煤柱宽度。

2）提高煤柱长时强度。庞庞塔矿10 号煤层内生裂隙发育，以宽条带结构为主，其次为线理状结构，煤层的硬度小、脆度大、结构复杂，含夹矸1～4 层，夹矸性多为炭质泥岩，其硬度相对较小，因此，为提高煤柱长时强度可采取必要的加固措施。

3）预防冲击载荷。可通过改善巷道围岩应力分布特征或弹性能集中程度，及时对坚硬顶板进行卸压处理，防止采空区大面积悬顶，同时加强煤柱侧的巷道支护，提高巷道支护结构抗冲击能力。

5 结 论

为提高煤炭回收率，庞庞塔矿10 号煤层计划进行窄煤柱沿空掘巷的工业性试验，本文建立了综放沿空掘巷覆岩破断模型，理论计算了综放沿空掘巷煤柱的合理宽度，煤柱宽度应在8～9.5 m 范围，基于此，分析了掘巷阶段和回采阶段不同煤柱宽度下围岩应力演化规律，考虑到10 号煤层煤质较软、小煤柱易片帮等特点，最终确定庞庞塔矿10 号煤层综放沿空掘巷煤柱宽度为9 m，进行了煤柱失稳条件分析，并提出了煤柱失稳防治措施。