综放工作面区段煤柱宽高比效应及尺寸优化研究

陈 兵，高 亮，杜正虎

(1.陕西陕煤榆北煤业有限公司 信息化运维分公司，陕西 榆林 719302；2.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林 719300；3.子长县中达焦家沟煤业有限公司，陕西 延安 717300)

综合机械化放顶煤开采技术经历40a的应用实践，已成为我国厚煤层的主要开采方法之一，具有高产高效、巷道掘进率低、吨煤成本低等优势[1]。然而，区段煤柱留设不合理造成煤炭采出率低和巷道维护困难等问题仍是制约综放技术发展的主要因素之一。目前，大部分综放开采矿井根据经验留设20～50m宽的区段煤柱维护巷道，造成煤炭资源浪费。部分煤矿通过留设窄小煤柱来提升回采率，但易诱发巷道严重变形破坏，维护难度增大，影响矿井安全高效生产[2]。因此，针对不同地质条件和开采参数的综放工作面，研究区段煤柱的稳定性及合理宽度，对保障回采巷道稳定性和提高煤炭资源回采率具有重要的意义[3-8]。

我国学者针对综放工作面区段煤柱合理宽度留设方面开展了大量研究[9-13]，综放工作面采动应力场复杂，受煤柱宽高比和二次采动等影响较大，现有研究较少涉及基于煤柱宽高比效应和煤柱失稳概率的煤柱宽度确定方法。采用物理模拟、FLAC3D数值计算和理论分析相结合的方法，研究综放工作面矿压显现规律、应力叠加效应最明显区域的区段煤柱稳定性及动态应力分布形态，揭示不同宽度煤柱稳定性及其宽高比效应，结合极限强度理论和煤柱失稳概率确定合理的区段煤柱宽度，并进行现场实践验证。研究可为类似条件的综放工作面区段煤柱尺寸优化提供理论依据。

1 工程背景

东川煤矿采用斜井开拓，布置主斜井、副斜井和回风斜井三个井筒，主要开采4-1号煤层，煤层平均埋深310m，煤层倾角平均5°左右，硬度中等，厚度为5.10～6.25m，平均5.5m，采用综合机械化放顶煤开采方法。工作面采高3.2m，放煤厚度为2.3m，采放比1∶0.7。走向长度为687.6m，倾斜长度为159m。

4-1号煤层基本顶为粗粒砂岩、中粒砂岩，厚3.50～26.31m，抗压强度平均20.3MPa，抗拉强度平均0.5MPa。直接顶大部分为砂质泥岩，厚1.40m。底板为泥岩、砂质泥岩，厚0.4～4.5m，抗压强度平均18.3MPa，抗拉强度平均0.3MPa。

2 区段煤柱稳定性物理模拟

2.1 物理模型设计

根据矿井综放工作面地质条件及开采参数，结合相似理论，确定物理模拟的相似条件和开采方案。物理相似材料选用标准河沙、石膏、大白粉和粉煤灰。分层材料为云母粉，模型铺装过程人工制造裂隙。采用拍照和测量的方法详细记录实验现象。物理模型相似条件：

根据相似条件，采用的相似材料配比见表1。限于模拟平台尺寸，实际铺装模型尺寸为长×高×宽=3m×1.46m×0.2m。而工作面实际平均埋深为310m，其余100m上覆岩层用铁砖配重加载，经计算配重铁砖厚度14.7cm，即在模型顶部铺设3层铁砖(每块铁砖厚5cm)。模型左侧留设66.7cm(原型100m)边界煤柱，右侧留设33.3cm(原型50m)边界煤柱，两工作面之间预留设16.7cm(原型25m)区段煤柱。模拟开挖方案为煤层开采3.7cm(原型5.5m)，采高2.1cm(原型3.2m)，放煤厚度1.5cm(原型2.3m)。实验过程采用无线压力传感器实时监测预留区段煤柱的应力分布规律。物理模拟实验方案如图1所示。

2.2 不同宽度区段煤柱稳定性及应力动态演化规律

左侧工作面开采结束后，留设25m区段煤柱，然后进行右侧工作面开采。右侧工作面开采结束后，不断缩小煤柱宽度，得到不同宽度煤柱结构及受力大小，如图2所示。分析可得，煤柱宽度由25m缩小至20m时，区段煤柱承受的平均应力由14.6MPa增加至19.5MPa，平均应力增加梯度为0.98MPa/m，煤柱表面未出现裂隙和片帮现象，宏观稳定性较好；当煤柱宽度由20m缩小到18m时，煤柱承受的平均应力为22.3MPa，平均应力增加梯度为1.4MPa/m；当煤柱宽度由18m缩小至16m时，煤柱承受的平均应力为26.3MPa，应力增加梯度为2.0MPa/m，煤柱两侧有明显的掉渣现象；当煤柱宽度缩小至14m时，煤柱承受的平均应力为32.2MPa，平均应力增加梯度为3.0MPa/m，此时，煤柱两侧有明显的片帮现象，煤柱由于承受载荷过大，其稳定性较差。

表1 相似材料配比

3 区段煤柱稳定性FLAC3D数值计算

3.1 数值计算方案

根据矿井地质条件和工作面开采参数，建立FLAC3D数值计算模型，模型顶部施加3.34MPa的垂直应力，模型边界条件为侧面和底部采用位移约束，左右工作面开挖时留设50m边界煤柱，分别进行区段煤柱宽度为25m、22m、20m、18m、16m、14m六种情况的数值计算。模型开挖前，分别在不同宽度区段煤柱中部布置应力测线，监测不同宽度煤柱应力分布大小。模型应力计算平衡后，4-1煤层的原岩应力为7.4MPa。按照最不利原则，左侧工作面开采完毕，选取右侧工作面超前支承压力峰值位置的区段煤柱A-A剖面进行分析，如图3所示。

3.2 不同宽度煤柱应力演化规律及塑性区分布特征

A-A剖面应力分布特征如图4所示，不同宽度区段煤柱应力测线监测数据绘制的应力分布规律如图5所示。分析可得，不同宽度区段煤柱应力演化规律及塑性区分布特征总结如下：

1)当区段煤柱宽度为20～25m时，煤柱垂直应力变化平缓，煤柱两侧的应力峰值为15.9～20.5MPa，煤柱应力分布形态呈现“马鞍形”。煤柱左帮的塑性区宽度为1.5～2.5m，右帮的塑性区宽度为1.0～2.0m，煤柱中部弹性核区宽度为15.5～22.5m，煤柱中部存在较宽的核区，煤柱稳定。

2)当煤柱宽度为18m时，垂直应力明显增大，靠近左侧工作面的应力峰值26.5MPa，靠近左侧工作面的应力峰值25.3MPa，应力分布形态呈现“平台形”。煤柱左帮塑性区宽度为3.0m，右帮塑性区宽度为2.5m，中部仍然存在12.5m的弹性核区，煤柱稳定性较好。

3)当煤柱宽度缩小到14～16m时，煤柱垂直应力急剧增大，两侧应力峰值完全叠加，达到了31.3MPa，为原岩应力的4.2倍，煤柱中部应力分布形态呈现明显的“拱形”。煤柱塑性区宽度均达到了10.0m，塑性区有连通趋势，煤柱中部核区只有4m，煤柱稳定性较差。

3.3 区段煤柱稳定性及其宽高比效应

根据大量工程实践经验，煤柱弹性核区率η≥65%，则煤柱能够保持稳定，不同宽度区段煤柱稳定性见表2。根据不同宽度区段煤柱最大应力和塑性区宽度特征分析可得，煤柱稳定性具有明显的宽高比效应，煤柱承受的最大应力和塑性区宽度与区段煤柱宽高比成负相关关系，煤柱弹性核区率与宽高比成正相关关系，如图6所示。

表2 煤柱塑性区及其稳定性

4 理论分析及工程验证

4.1 4-1号煤层单轴抗压强度测定

将现场取回的整块煤样加工成标准圆柱试件，然后在MTS岩石力学测试系统上进行单轴抗压试验。根据试验结果，4-1号煤层的单轴抗压强度为15.8MPa。

4.2 区段煤柱极限强度及安全系数计算

煤柱稳定性与煤体自身强度和煤柱尺寸有关，煤柱极限强度通常采用Bieniawski公式计算：

σs=σc[0.64+0.36(a/h)]

(1)

式中，σs为煤柱极限强度，MPa；σc为煤体单轴抗压强度，MPa；h为煤柱高度，m；a为煤柱宽度，m；当a/h>5时，n=1.4；当a/h<5时，n=1。

煤柱安全系数是确定煤柱稳定性的重要指标之一，煤柱安全系数越大，煤柱失稳的概率越小，煤柱越稳定。Hoek研究发现，当煤柱安全系数为1.0时，煤柱失稳的概率为50%；当煤柱安全系数为1.5时，煤柱失稳的概率为0.3%。因此，煤柱安全系数大于1.0，可认为煤柱稳定性较好[14]。煤柱安全系数计算公式为：

fs=σs/Pz

(2)

式中，Pz为煤柱承受最大应力，MPa。

根据物理模拟和FLAC3D数值计算结果，煤柱宽度a为25、22、20、18、16和14m时，承受的最大应力Pz分别为17.4、18.5、20.3、27.5、31.0和33.8MPa。煤柱高度h为5.5m，煤体单轴抗压强度σc为15.8MPa，将以上参数分别代入式(1)、式(2)中，得到不同宽度区段煤柱极限强度及安全系数，见表3。

表3 不同宽度区段煤柱稳定性理论计算结果

根据表2可得，当煤柱宽度小于18m时，综放工作面区段煤柱不稳定，失稳概率较大，与物理模拟和数值计算结果一致。因此，矿井在进行相邻综放工作面区段煤柱设计时，留设煤柱宽度应不小于18m。

4.3 工程验证

研究结论在该矿406工作面进行了现场实践，406工作面与已开采完毕的405工作面之间的区段煤柱宽度为18～20m。406工作面开采过程中，与406工作面运输巷之间的区段煤柱稳定性较好，406工作面运输巷顶底板移近量最大为220mm，两帮移近量最大160mm。煤柱帮和开采帮仅有局部发生片帮现象，保证了工作面安全高效生产。

5 结 论

1)区段煤柱未完全失稳前，其承受的应力大小与其宽度成反比例关系。煤柱宽度缩小到一定程度时，煤柱平均应力增加梯度会显著增加，煤柱稳定性降低。此外，可采用煤柱垂直应力分布形态可表征煤柱稳定程度，“马鞍形”应力分布形态的煤柱较稳定，“平台形”应力分布形态是煤柱设计的主要依据，“拱形”应力分布形态是煤柱即将屈服失稳的重要特征。以上规律为确定合理区段煤柱宽度奠定了基础。

2)煤柱宽高比效应影响其安全系数和失稳概率，煤柱宽高比越大，其承受的最大应力越小，煤柱受力越均匀，塑性区越小，煤柱失稳概率越低；煤柱宽高比越小，其承受的最大应力越大，煤柱受力集中，塑性区较大，煤柱失稳概率较大。

3)根据极限强度理论和煤柱安全系数与稳定性的关系，得出区段煤柱尺寸小于18m时，煤柱失稳概率达到了60%～70%，煤柱容易受采动作用屈服破坏，不利于安全生产。因此，相邻综放工作面间的区段煤柱宽度应不小于18m，现场实践验证可靠。