閆 東

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)泰山隆安煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000）

在近距離煤層開采過程中，上、下煤層回采巷道的留設(shè)煤柱的寬度大小與對回采巷道的支護(hù)難易程度、維護(hù)成本、安全生產(chǎn)以及工作面回采率密切相關(guān)，煤柱寬度選擇合理與否，對保證巷道穩(wěn)定性至關(guān)重要[1-2]。本文以隆安煤礦四采區(qū)11#煤層近距離開采為例，通過理論計(jì)算與數(shù)值模擬綜合方法，分析研究了不同寬度煤柱在底板擴(kuò)散的影響范圍，計(jì)算出了合理的煤柱留設(shè)寬度，為巷道的支護(hù)及節(jié)約成本打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 工程概況

隆安煤礦四采區(qū)采掘煤層為石炭系太原組上部煤層，11上煤層厚度1.38～1.6 m，平均1.4 m，11下煤層厚度1.3～2.2 m，平均1.5 m。11#煤巖層結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 11#煤層綜合柱狀圖

2 煤柱留設(shè)尺寸合理性分析

2.1 數(shù)值模擬

根據(jù)礦井生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告，建立數(shù)值模型分析煤柱應(yīng)力在底板中的擴(kuò)散規(guī)律，以11上401工作面與11上402工作面區(qū)段煤柱為例，分析不同煤柱寬度下，底板應(yīng)力擴(kuò)散規(guī)律。數(shù)值模擬方案為：在其他條件相同的情況下，分別選取8 m、15 m寬度煤柱進(jìn)行分析。

根據(jù)圖2的模擬結(jié)果可知：

圖2 不同寬度煤柱底板應(yīng)力擴(kuò)散云圖

（1）煤柱集中應(yīng)力向煤層底板傳遞的垂直應(yīng)力按一定的角度向煤柱兩側(cè)擴(kuò)散，距離煤柱均布載荷越近，底板應(yīng)力載荷向四周擴(kuò)散的分布范圍越小，但對巷道圍巖影響程度越大。

（2）在深度不同的底板水平截面上，垂直應(yīng)力距離煤柱中央形成兩個峰值，之后隨遠(yuǎn)離煤柱中央而逐漸衰減，在煤柱邊緣處衰減速度最大。

（3）在一定范圍內(nèi)，隨著煤柱寬度的逐漸增加，下部煤層的垂直應(yīng)力峰值開始逐漸減小，同時(shí)其位置也慢慢向煤柱中心方向移動，且垂直應(yīng)力分布曲線由原先的“單峰形”轉(zhuǎn)變成“馬鞍形”，說明煤層寬度對下層煤層垂直應(yīng)力分布影響較大［3］。

2.2 煤柱留設(shè)寬度計(jì)算

（1）11上煤層煤柱留設(shè)計(jì)算

根據(jù)工作面基本地質(zhì)資料及煤巖層特性參數(shù)可知，11上煤巖層物理力學(xué)基本參數(shù)值分別為：M=1.60 m，=28.9°，Pi=0，ξ=2.846，H=229 m，γ=25 kN/m3，k=4.02，C=1.3 MPa，f=0.2。則當(dāng)煤柱一側(cè)采空時(shí)其塑性變形區(qū)寬度x0可見式（1）：

根據(jù)A.H.Wilson提出煤礦井下近煤層開采留設(shè)煤柱塑性變形區(qū)寬度計(jì)算見式（2）：

通過對煤柱塑性區(qū)寬度進(jìn)行研究分析可知，煤柱自身承載的載荷大小與其留設(shè)的寬度有重要關(guān)系。煤柱能夠保證維持穩(wěn)定狀態(tài)的基本條件是：當(dāng)留設(shè)的煤柱兩側(cè)受力后進(jìn)入塑性變形狀態(tài)時(shí)，在煤柱的中心位置會產(chǎn)生彈性核，該彈性核的寬度與煤柱的高度之間存在一定的關(guān)系，其最小寬度值一般是煤柱高度的1～2倍［4］，所以，確保煤柱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其最小寬度B可見式（3）：

上述計(jì)算可以得到x0分別為1.86 m、1.80 m，所以取x0為1.86 m，M=1.60 m，根據(jù)公式（3）計(jì)算可知煤柱能夠維持穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的最小寬度為6.92 m，即11上煤層工作面煤柱寬度大于6.92 m時(shí)可以穩(wěn)定。11上煤層工作面留設(shè)寬度達(dá)到15 m時(shí)，能夠達(dá)到形成穩(wěn)定煤柱的條件。因此，上煤層11上煤層回采后采空區(qū)的遺留煤柱基本上不會出現(xiàn)整體失穩(wěn)破壞。

（2）11下煤層煤柱留設(shè)計(jì)算

根據(jù)工作面基本地質(zhì)資料及煤巖層特性參數(shù)可知，11下下組煤煤巖層物理力學(xué)基本參數(shù)值為：M=4.50 m，φ=25.3° ，Pi=0，ξ=2.49，H=231.7 m，γ=25 kN/m3，k=3.84，C=1.5 MPa，f=0.2。則當(dāng)下組煤煤柱一側(cè)采空時(shí)其塑性變形區(qū)寬度x0可見式（4）：

根據(jù)A.H.Wilson提出煤礦井下近煤層開采留設(shè)煤柱塑性變形區(qū)寬度的計(jì)算公式可得：

通過上述計(jì)算可得x0分別為：4.75 m、5.11 m，故x0取5.11 m，根據(jù)式（3）計(jì)算可知保證留設(shè)的煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的最小寬度為19.22 m。因在實(shí)際應(yīng)用過程中需增加一定的安全系數(shù)，故結(jié)合實(shí)際情況，將11下煤層工作面留設(shè)的煤柱尺寸確定為20 m。

3 不同煤柱回采巷道數(shù)值模擬分析

綜合以上分析結(jié)果，建立11下401工作面回采巷道在不同煤柱寬度下的計(jì)算模型，分別對不同寬度煤柱下的巷道應(yīng)力分布規(guī)律及特征進(jìn)行模擬，見圖3。

由圖3可知，煤柱寬度15 m時(shí)圍巖垂直應(yīng)力最大值3.8 MPa，巷道圍巖整體處于應(yīng)力降低區(qū)；煤柱寬度20 m時(shí)圍巖垂直應(yīng)力最大值為3.6 MPa；煤柱寬度25 m時(shí)圍巖垂直應(yīng)力最大值為3.6 MPa，煤柱寬度超過15 m后巷道圍巖應(yīng)力處于較低應(yīng)力范圍內(nèi)且變化程度不大，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜合以上分析，11#近煤層工作面開采留設(shè)煤柱的合理寬度為20 m，不僅能夠保證巷道圍巖應(yīng)力整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，而且能夠減少煤炭資源損失。

圖3 寬度不同的煤柱圍巖垂直應(yīng)力變化分布

4 應(yīng)用效果分析

為確定留設(shè)的煤柱寬度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在11下401工作面順槽距工作面180 m和200 m處分別設(shè)置2個礦壓觀測分站，對工作面留設(shè)煤柱內(nèi)部煤體圍巖應(yīng)力變化及順槽巷道頂?shù)装寮跋飵鸵平孔兓闆r進(jìn)行定期觀測。在每個觀測點(diǎn)施工3個鉆孔，在鉆孔內(nèi)安裝應(yīng)力測力計(jì)對留設(shè)的煤柱在煤體圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行觀測，每5天對巷道礦壓進(jìn)行一次觀測，繪制見圖5和圖6曲線圖。根據(jù)圖4分析可知，埋深在10 m位置的測點(diǎn)應(yīng)力變化最大值為4.6 MPa，埋深在15 m位置的測點(diǎn)應(yīng)力變化最大值為3.5 MPa，埋深在25 m位置的測點(diǎn)應(yīng)力變化最大值為3.3 MPa。說明煤柱寬度在10 m時(shí)巷道圍巖應(yīng)力變化最大，而在寬度超過15 m以后，應(yīng)力變化不大，基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。

圖4 煤柱應(yīng)力變化

由圖5曲線變化圖數(shù)據(jù)分析可知，隨著工作面回采位置的不斷向前推移，巷道頂?shù)装搴拖飵臀灰屏恐饾u變大，在距工作面切眼50 m時(shí)，巷道位移量開始明顯變大，當(dāng)距工作面切眼5 m左右位置時(shí)，巷道頂?shù)装逡平孔兓畲?，其中頂?shù)装逦灰屏孔畲鬄?5 mm，兩幫移近量最大為20 mm。巷道頂?shù)装逦灰谱兓孔畲笾翟谠O(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，說明巷道圍巖變形在可控狀態(tài)，留設(shè)的煤柱寬度滿足巷道支護(hù)要求。

圖5 巷道圍巖移近量變化

5 結(jié)語

根據(jù)對隆安煤礦煤礦四采區(qū)11#煤層煤柱留設(shè)尺寸研究發(fā)現(xiàn)：

1）煤柱自身承載的載荷大小與其留設(shè)的寬度有重要關(guān)系，當(dāng)留設(shè)的煤柱兩側(cè)受力后進(jìn)入塑性變形狀態(tài)時(shí)，在煤柱的中心位置會產(chǎn)生彈性核，其最小寬度值一般是煤柱高度的1～2倍。

2）11#煤層工作面開采時(shí)留設(shè)煤柱寬度在10 m時(shí)巷道圍巖應(yīng)力變化最大，而在寬度超過15 m以后，巷道圍巖應(yīng)力處于較低應(yīng)力范圍內(nèi)且變化程度不大，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）經(jīng)應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明，11#近煤層工作面開采留設(shè)煤柱20 m時(shí)，工作面在開采過程中，巷道圍巖頂板最大移近量在65 mm，兩幫變形量最大為20 mm，巷道圍巖變形量在設(shè)計(jì)允許變形量范圍內(nèi)，說明留設(shè)的煤柱寬度比較合理。該煤柱寬度尺寸的設(shè)計(jì)為礦井今后新采區(qū)近煤層開采留設(shè)煤柱提供了參考，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。