马堡煤业高应力环境小煤柱合理留设宽度研究

岳鹏飞，张正冈，闫循强

（1.山西马堡煤业有限公司，山西 长治 046300；2.山西三元福达煤业有限公司，山西 长治 046300；3.中煤科工集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；4.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

0 引 言

煤柱留设是煤矿开采中的一个关键技术[1]，关系到开采空间稳定性、煤炭资源回收率及煤矿安全等一系列问题。煤矿井下煤柱大致可分为3 类[2-3]：矿井保护煤柱、采区煤柱及工作面煤柱。合理的煤柱尺寸应达到2 个目的[4-6]，一是要保证煤柱保护巷道围岩的稳定性，使巷道在服务期间能够满足生产要求；二是尽量减小煤柱尺寸，提高煤炭资源回收率。

马堡煤业15 号煤层采用大采高综采一次采全高采煤法，区段煤柱留设尺寸均为20 m 左右，浪费了大量煤炭资源，小煤柱沿空掘巷能有效回收煤柱资源，在我国得到广泛应用与发展。我国普遍应用的是留3~6 m 小煤柱沿空掘巷，能有效解决巷道漏风问题，防止采空区矸石滚落巷道内，具有较高的技术经济效益。

1 概 况

马堡煤业15202 工作面北东侧与152 采区胶带、轨道、回风下山相连接；南东侧为设计的15202 工作面实体煤；北西侧为152 采区实煤体；南西侧为实体煤。工作面位置如图1 所示。15202运输顺槽煤层结构简单，煤层厚度4.75～5.04 m，平均4.9 m，顶底板条件见表1。15202 运输顺槽整体为一单斜构造，巷道掘进方向地质构造发育较为简单，无大型断层构造发育。2019 年在152 采区进行地应力测试，测试结果为16.32 MPa，表明15号煤应力水平较高，根据15205 工作面回采期间回风顺槽应力及围岩移动变形观测结果，巷道两帮最大移近量达2 m，并有断锚现象，表明巷道处于高应力环境中。

图1 15202 工作面巷道布置平面Fig.1 Roadway layout of No.15202 Face

表1 煤层顶板情况Table 1 Coal seam roof condition

2 地质力学试验

2.1 顶板结构钻孔窥视实验

在15202 运输顺槽进行顶板结构钻孔窥视，试验结果见表2。

根据钻孔窥视结果，处于0～10 m 的粉砂质泥岩和细砂岩岩性裂隙较发育，工作面回采过后易自然垮落，由于受限于窥视仪电缆长度，10 m 以上顶板未取得窥视数据。

表2 15202 运输顺槽顶板窥视汇总Table 2 Roof peep summary of 15202 transport roadway

2.2 煤岩物理力学实验

2021 年3 月在马堡煤业15202 联络巷中间取样，由于取芯钻存在问题且顶板岩层破碎，完整取芯23 段，主要为顶板上方3~11 m、17~18 m 层位，而后开展了实验室物理力学测试工作。顶板岩层取芯及试样如图2 所示。

图2 顶板岩层取芯及试样Fig.2 Core extraction and sample of roof strata

由试验结果可知，煤层单轴抗压强度在13.68~16.24 MPa，平均15.18 MPa，属中硬煤，直接顶为粉砂岩，抗压强度24.15 ~ 49.14 MPa，平均41.09 MPa，煤层上方16 ~ 20 m 层位K2石灰岩抗压强度平均达71.88 MPa，属坚硬岩层。由此可知，15 号煤层强度较高，硬度在1.5 左右，顶底板条件较好，K2石灰岩硬度，完整性较好，在采空区侧向可能形成较大范围悬臂结构，对小煤柱留设影响较大。

3 小煤柱合理宽度确定

3.1 理论计算

煤柱内部塑性破坏区域尺寸是合理留设煤柱宽度的关键[7-8]。将煤体视为均质连续体，基于莫尔—库伦准则和弹性力学的有关知识能够求得极限平衡区的宽度为：

式中：m为煤柱高度，取4 m；Px为锚杆对煤柱的侧向阻力，取10 MPa；λ 为塑性区边界面的侧压系数，取1.5；σx、σy分别为沿x 轴和y 轴方向上的应力，根据地应力测试结果，水平应力取16 MPa，垂直应力取12 MPa；K为塑性区边界面应力集中系数，取2；γ 为上覆岩层平均容重，取为0.025 MN/m3；C0 为煤层粘聚力，取2.5 MPa；H为煤柱埋深，取450 m；φ 为煤体内摩擦角，取25°。

将各值带入公式（1） 得出，马堡煤业小煤柱留设范围内煤柱的极限平衡区的宽度为X1=1.93 m。

为避免固定和残余支承压力对巷道的影响，故运用锚杆（索） 对护巷煤柱进行支护，在高围岩应力的作用下，可能会使得锚杆（索） 锚固范围处于煤柱的塑性破坏区内，致使锚固效果差，故锚杆长度X2也是煤柱合理宽度所要考虑的因素，锚杆长度取2.4 m；此外，考虑到影响煤柱稳定的其他未知因素，因此对煤柱添加一个安全系数X3，以避免不定因素对煤柱的影响。综上所述，沿空巷道护巷煤柱合理的宽度表达式为：

式中：X1为煤柱塑性区宽度；X2为锚杆长度；X3为煤柱安全系数，一般取0.15～0.4（X1+X2）。则带入公式（2），得出煤柱合理宽度为B=4.98～6.06 m。因此，经初步理论计算得出马堡15204 工作面合理小煤柱留设宽度为4.98～6.06 m。

3.2 数值模拟

采用FLAC3D 数值模拟软件对马堡小煤柱合理留设宽度进行分析，分别模拟煤柱宽度4、5、6、7、8 m 五种条件下煤柱及巷道围岩塑性区变化及应力环境，模拟结果如图3～图5 所示。

由数值模拟结果可知，从塑性变形来看，随着煤柱尺寸的增加，煤柱一直处于塑性区范围内，巷道围岩塑性区破坏范围逐渐降低，表明4~8 m 小煤柱均处在塑性变形区，但煤柱宽度的增大能够在一定程度上降低巷道围岩的塑性变形范围。从围岩应力环境可以看出，巷道上帮以垂直应力为主，在上帮的下部帮角位置出现明显的应力集中，应力集中程度随着煤柱宽度的增加逐步增大，当煤柱宽度由4 m 增加到8 m 时，垂直应力峰值由7.2 MPa 增长至16.7 MPa；底板以水平应力为主，直接底主要呈现为压应力，煤柱宽度7 m 时底板水平应力达到17.9 MPa 峰值，在煤柱宽度8 m 时水平应力最低，为10.7 MPa，其余宽度煤柱时，水平应力在14 MPa 左右。

根据数值计算结果可以看出，小煤柱巷道上帮存在垂直应力峰值区，主要位于下帮角处，随着煤柱宽度的增加，应力峰值逐渐增大；底板主要受水平压应力影响，应力峰值基本在14 MPa 以上，且影响范围较大，当煤柱宽度为6 m 时，垂直应力峰值水平较低，上帮影响程度较低，底板最大水平应力影响范围较小。结合理论计算结果，最终确定马堡煤业15 号煤层15202 工作面小煤柱合理留设宽度为6 m。

图3 不同尺寸煤柱围岩塑性区分布Fig.3 Plastic zone distribution of surrounding rock with different coal pillars sizes

图4 不同尺寸煤柱围岩垂直应力分布Fig.4 Vertical stress distribution of surrounding rock with different coal pillars sizes

图5 不同尺寸煤柱围岩水平应力分布Fig.5 Horizontal stress distribution of surrounding rock with different coal pillars sizes

4 结 论

（1） 综合分析对比15202 运输顺槽钻孔窥视结果可知，孔口0～4 m 岩层破碎，完整性差；4～9 m 属基本顶细砂岩层位，裂隙发育逐渐减少，围岩完整性较好。由煤岩物理力学试验结果可知，直接顶抗压强度平均40.19 MPa，K2石灰岩顶板坚硬，平均抗压强度达71.88 MPa，为理论分析及数值模拟提供重要参数。

（2） 采用数值模拟方法分析了煤柱宽度4~8 m 五种条件下煤柱的破坏特征及巷道应力环境，由计算结果可知，小煤柱巷道上帮存在垂直应力峰值区，主要位于下帮角处，随着煤柱宽度的增加，应力峰值逐渐增大；底板主要受水平压应力影响，应力峰值基本在14 MPa 以上，且影响范围较大，当煤柱宽度为6 m 时，垂直应力峰值水平较低，上帮影响程度较低，底板最大水平应力影响范围较小。结合理论计算结果，最终确定马堡煤业15 号煤层15202 工作面小煤柱合理留设宽度为6 m。