厚煤层综放首采工作面区段煤柱留设宽度研究

＊郭宝林

（山西正诚矿山安全技术研究所（有限公司）山西 030006）

区段煤柱只有满足一定的尺寸（宽度）才能保持稳定，区段煤柱稳定性和合理尺寸是互为基础、互相依存的：就本质（内容）和表现（形式）来说，稳定性是基础、本质，合理尺寸是表现（形式）；就目标（结果）和手段（过程）来讲，合理尺寸是所求的最终目标（结果），而稳定性研究是手段（过程）[1-3]。煤柱的尺寸大小直接关系到煤矿的采煤效率和资源利用率。合理的煤柱尺寸可以最大限度地利用煤矿资源，减少煤炭的浪费和损失。通过设计合理的护巷煤柱尺寸，可以减少煤柱消耗和支护成本，并提高采煤工作的效率，从而提高煤矿的产能和经济效益[4-5]。合理的工作面区段护巷煤柱尺寸可以确保煤柱具有足够的强度和稳定性，能够承受来自上部岩层的载荷和压力，从而避免煤柱失稳或坍塌引发地质灾害，有助于保护工作面人员的生命安全和减少事故发生的概率。

1.工作面概况

2314工作面煤层厚度并不均匀，呈现中间薄，切眼及停采线两端厚的特点，其平均厚度为4.7m。工作面倾斜长度为154.7m，走向长度为795.8m。综合巷道掘进及地质勘探等情况，煤层接近水平，最大倾角为8.5°，倾角平均3°。

2.区段煤柱宽度理论计算

区段煤柱保持稳定的宽度B为：

（1）区段煤柱塑性变形区宽度。建立如图1所示的力学模型，x1、x0分别为区段煤柱下侧和上侧的塑性区宽度，求解见式（2）和式（3）。

图1 区段煤柱塑性变形区宽度计算力学模型

式中，m—保护煤柱高度；C0—黏聚力；H—埋深；φ0—内摩擦角；K、K＇—弹性核与顶底板界面下、上部塑性区与弹性核交界面上的应力集中系数；γ—覆岩平均容重；λ—侧压系数。

（2）区段煤柱弹性核破坏临界宽度。建立如图2所示的力学模型，求解区段煤柱弹性核破坏临界宽度L1，见式（4），式中，L1—弹性核破坏临界宽度。

图2 区段煤柱弹性核临界破坏宽度计算力学模型

（3）区段煤柱宽度确定。用公式（1）确定区段煤柱尺寸，存在一定的弊端，在实际回采过程中，动压、时间及掘进过程等也对煤柱的稳定性有明显影响[6-9]，而目前只考虑了静态载荷因素，与实际情况明显不符，故需要对该公式进行修正，修正后的公式如下：

式中，d—扰动因子；α—掘进因子。

矿井煤、岩层参数按表1选取。计算得x0=2.30m，x1=4.83m，L1=5.5m，B1≥19.40m。综上，实际留设时考虑煤柱尺寸大于等于19.40m。

表1 矿井煤、岩层参数

3.煤柱应力现场实测

为监测煤柱实际受力情况，需对其受力进行现场实测，其测点布置见图3，测点位置的选取考虑了工作面的实际情况，在23142巷距切眼515m处实体煤内布置钻孔应力计。此外测站布置在煤层厚度中部，正对采空区方向的23142巷距切眼515m处实体煤内。由23142巷道向23142措施巷方向钻孔间距依次为7m、8m、8m、8m、8m，依次编为1#～5#，采用规定型号钻孔应力计对煤柱进行煤体应力监测[10]。具体测站布置参数见表2。

表2 测站布置参数表

图3 钻孔布置方案示意图

应力计安装后距离工作面60m时开始监测数据。由于初始阶段应力计与钻孔围岩相互作用，其监测值不断波动，因此取各测点距工作面50m时的数据开始分析，直到剩余煤体（煤柱）宽度为20m工作面停采撤架时结束，监测结果如图4所示。

图4 各测点应力随工作面推进距离变化规律

由图4可知，各测点距工作面50～30m过程中，剩余煤体（煤柱）应力监测值缓慢上升，且上升速率缓慢增大；1#测点应力监测值全程仅有少量上升，这表明3m深度位置全程处于塑性破坏区；2#测点距工作面30m至停采的过程中，应力监测值快速上升，但应力峰值显著较位于煤体深处的3#、4#和5#测点小，这表明在工作面推进过程中，剩余煤体（煤柱）宽度不断减小，其受力不断增大，导致塑性破坏范围不断增大，深度5m处的2#测点在此过程中由弹性核区逐渐向塑性破坏区过渡；3#、4#和5#测点应力监测值变化规律基本相同，应力峰值较高（达到28.5MPa左右）且相近，这表明深度7m、9m和11m位置全程处于弹性核区内。对停采撤架时煤柱应力状态作图分析，得到结果如图5所示。

图5 停采时剩余煤体（煤柱）沿宽度方向应力分布

由图5可知，煤柱宽度剩余20m时，应力分布呈马鞍形，综合矿压理论可知煤柱内部依然保持稳定。本次现场监测表明，煤柱应力随工作面推进不断增大，距离工作面25m左右时增速明显提高，距测点9～14m时达到峰值；剩余煤体（煤柱）在宽度减小至20m时仍未发生失稳，仍然具有很好的自承能力。

4.煤柱宽度数值模拟

在23142巷以北，存在JDX6陷落柱。为绕过JDX6陷落柱，正对采空区方向的23142巷形成了刀把型巷道，将这段煤巷布置在2314综放面的前方。随着工作面逐渐向煤巷推进，煤柱宽度也逐渐变小。为了研究剩余的20m、19m、18m、17m煤柱的塑性区和垂直压力分布，借助FLAC3D数值模拟软件，得到煤柱应力分布和煤柱塑性区分布分别如图6和图7所示。

图6 煤柱应力分布图

图7 煤柱塑性区分布图

由图6（a）～（c）和图7（a）～（c）分析可知，随着2314工作面逐渐推进，当回采工作面与前方的23142巷道间剩余20m、19m、18m区段煤柱时，煤柱内应力峰值达30MPa以上，核区率大于65%，能保证其稳定性。而通过分析图6（d）和图7（d）可知，当剩余17m区段煤柱时，煤柱内应力峰值达到了34MPa，煤柱只有10m的核区，核区率为58.8%，容易发生失稳。因此，根据研究结果，建议将矿井3#煤层区段煤柱的合理宽度设定为不少于18m。

由此可见，通过理论计算、现场实测、数值模拟研究这三种手段对区段煤柱合理尺寸进行分析，表明合理的区段煤柱尺寸不应小于20m。同时参考其它盘区的回采经验，结合相邻工作面回采时受到动压等的影响，选取1.5的动压影响系数，确定西盘区工作面区段煤柱留设尺寸为30m。

5.结语

（1）引进扰动因子和掘进因子，修正了区段煤柱宽度理论计算公式，利用修正后的公式确定出区段煤柱合理尺寸应大于等于19.40m。

（2）综合煤柱宽度合理值弹性核理论计算法、现场实测、数值模拟等手段，并考虑临近面回采的叠加影响以及3#煤强度低等因素，确定西盘区首采工作面区段煤柱留设尺寸为30m。