特厚煤层综放工作面区段煤柱宽度优化研究

王博 冯宇 宋猛

(北京科技大学土木与环境工程学院)

特厚煤层综放工作面区段煤柱宽度优化研究

王博 冯宇 宋猛

(北京科技大学土木与环境工程学院)

为了提高资源回收率和防止煤柱失稳诱发冲击地压，在特厚煤层综放工作面区段留设合理煤柱宽度。首先采用极限平衡理论计算煤柱留宽应大于19 m；其次，通过数值模拟得到4种不同宽度煤柱的塑性区分布范围，初步得到煤柱合理宽度为20 m；最后，通过现场实测法对煤柱的侧支承压力、巷道表面位移和锚杆(索)应力进行监测，结果进一步表明，煤柱宽度为20 m时中部存在一定宽度的弹性核，此时巷道和围岩变形小，煤柱较稳定。从经济效益和回采安全的角度考虑，某矿合理区段煤柱宽度应为20 m。

区段煤柱宽度 极限平衡理论 侧支承压力 弹性核 数值模拟 现场实测

区段煤柱是指走向长壁工作面之间留设的保护煤柱，其主要作用是隔离采空区和维护巷道[1]。区段煤柱宽度是沿空巷道布置系统中最重要的因素，对巷道围岩稳定性的影响主要体现在两方面：一是煤柱宽度决定了下一工作面沿空巷道的位置；二是煤柱宽度直接影响着巷道的整体稳定性[2-4]。合理的区段煤柱尺寸不仅可以减小巷道的变形，减少巷道维护工程量，而且还可以减少煤炭资源损失[5]。国内外学者进行了大量研究[6-8]：对大量实测结果数理统计,归纳推理得出不稳定围岩条件下区段煤柱尺寸；运用矿山压力规律留设各种煤柱的方法及经验公式；通过数值模拟研究巷道的围岩变形，确定煤柱合理尺寸；根据岩体的极限平衡理论推导出区段煤柱保持稳定状态时的宽度计算公式；从理论上推导三维应力状态下煤柱塑性区宽度的计算公式。上述研究主要是通过1种或者2种因素确定煤柱合理尺寸，对多因素、多角度、多方法确定和验证特厚煤层综采工作面区段煤柱合理宽度的研究较少。本文以某矿913、914工作面为研究对象，综合采用理论计算、数值模拟和现场多因素实测等方法对特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度进行研究，以期为类似工程的参数确定提供理论依据和参考。

1 工程概况

某矿采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。913、914为9煤工作面，走向长1 315 m，倾斜长250 m，地面标高为1 236.7～1 301.2 m，井下标高为994.9～1 014.6 m，平均采深为250 m。煤层厚13.5～14.7 m，平均厚13.6 m，倾角为0°～7°，平均为4°，硬度系数为1.5～2，直接顶为1.2～3.2 m厚的泥岩及砂质泥岩，基本顶为0.8～4.7 m厚的中砂岩，直接底为6.26 m厚的中粒砂岩，基本底为3.78 m厚的细砂岩。工作面巷道断面为5.0 m×3.5 m矩形。

2 合理煤柱宽度理论分析

当煤柱两侧工作面采空或者正在回采时，煤柱会受到两侧支承压力的影响，形成马鞍形的应力分布特征[9]。由于煤柱边缘应力集中，从煤柱边缘到中央可分为破裂区A、塑性区B和弹性区C(弹性核)，见图1。

图1 煤柱弹塑性区分布

当煤柱宽度W小于煤柱两侧形成的塑性区宽度2R时，煤柱内两侧塑性区贯通，弹性核消失，煤柱将失去承载力，不利于巷道维护、防冲。因此，区段煤柱中央需要保持一定宽度的弹性核。对一次采全高的综放工作面区段煤柱，弹性核宽度可取2倍的巷道高度h[10]，所以综放工作面区段煤柱宽度W≥2x0+2h。通过极限平衡理论[11]可以推算得到塑性区宽度x0为

(1)

式中，m为煤层开采厚度，取14 m；A为侧压系数，取0.282；φ0为煤体交界面的内摩擦角，取27°；C0为煤体交界面黏聚力，取1.12 MPa；K为回采引起的应力集中系数，取1.3；H为开采深度，取250 m；γ为上覆岩层平均容重，取25 kN/m3。

计算得出塑性区宽度x0=6 m。巷道高3.5 m，因此，区段煤柱宽度W≥19 m。

3 煤柱宽度数值模拟分析

3.1 模型建立

根据理论分析结果，采用FLAC3D数值软件分别模拟煤柱宽度为18，20，22，24 m时煤柱的破坏情况。模型尺寸为700 m×400 m×230 m(长×宽×高)。模型侧面限制水平移动，底部限制水平移动和垂直移动，模型的上边界为应力边界，为模拟上覆岩层的自重应力，施加1.25 MPa均布载荷。数值模拟计算模型见图2，岩层的物理力学参数见表1。

图2 数值模拟计算模型

表1 岩层物理力学参数

3.2 模拟结果及分析

煤柱宽度分别为18，20，22，24 m时煤柱的塑性区分布见图3。

从图3可以看出，当煤柱宽度为24，22，20m时，煤柱中部存在一定宽度的弹性核，且随着宽度的减小而减小。当煤柱宽度减小到18 m时，煤柱两侧塑性区贯通，失去承载能力。

图3 不同宽度的煤柱塑性区分布

为了减少煤柱留设所带来的煤炭损失及考虑回采的安全性，综合考虑推荐区段煤柱留宽20 m。此时，区段煤柱的弹性核范围为8～12 m。

4 工程验证

4.1 测区布置

914与913工作面留20 m区段煤柱，为掌握回采动压对巷道和煤柱稳定性的影响，对煤柱应力、巷道表面位移和锚杆(索)应力进行监测，测区布置见图4。

图4 测区布置

在914工作面材料巷布置测站Ⅰ和Ⅱ，到切眼的距离分别为304 m和346 m。在每个测站布置3个测点，采用钻孔应力计监测工作面侧支承压力分布规律，布置在巷道外帮，安装深度分别为5，10，15 m，间距为2 m。钻孔垂直区段煤柱煤壁，孔口距底板1～1.5 m，使用φ42 mm钻头，每隔5 d采集一次数据。每个测站布置一个监测断面，采用“十”字布点法布置表面位移监测断面，每天观测一次，通过观测和计算得到巷道顶底板和两帮的表面位移。

4.2 煤柱侧支承压力监测

根据观测结果绘制出煤柱内测点应力随时间变化曲线，图5为测站Ⅱ钻孔应力变化曲线。可以看出，埋深5，15 m的应力计读数一直为0，说明2个测点一直处于塑性区，埋深10 m的应力计一直升高，说明巷道10 m处为弹性区。因此，认为工作面采动造成的侧向塑性区宽度小于10 m，但大于5 m，与数值模拟结果相符。

图5 测站Ⅱ所测煤柱应力变化曲线

4.3 巷道表面位移监测

图6为巷道表面位移变化曲线。可以看出，随着工作面位置的临近，巷道两帮移近量和顶底板移近量逐渐增大。从图6(a)中可知，测站I两帮及顶底板变形从3月3日开始，此时工作面到该测站的距离为150 m。从图6(b)中可知，测站Ⅱ两帮及顶底板变形从3月13日开始，此时工作面到该测站的距离为154 m。4月16日，测站Ⅰ两帮移近量为20 mm，顶底板移近量为65 mm；到5月3日时，测站Ⅱ两帮和顶底板移近量都是60 mm。巷道表面位移变化规律表明，巷道和煤柱受工作面采动动压影响不大，巷道没有出现大的变形，煤柱也始终保持稳定。

图6 巷道表面位移变化曲线

4.4 锚杆(索)应力监测

图7为测站Ⅰ巷道锚杆(索)载荷变化曲线。可以看出,随着锚杆(索)受力逐渐增大，3月3日后，监测锚杆(索)的载荷基本稳定在同一水平，并且载荷仅有10～30 kN，远小于锚杆(索)的破断载荷。可见，巷道围岩变形小，20 m的区段煤柱能够保证安全回采。

图7 测站Ⅰ巷道锚杆(索)载荷变化曲线

综合上述3种监测结果可知，在留设20 m的区段煤柱情况下，煤柱中部仍存在一定宽度的弹性核，采动对巷道和煤柱影响程度不大，能够保证回采安全性，从而验证了确定的20 m区段煤柱宽度的合理性。

5 结 论

(1)两侧采空的区段煤柱的垂直应力呈马鞍形分布，随着煤柱宽度的减小，煤柱中部的弹性核逐渐减小，直至两侧塑性区贯通，煤柱失去承载能力。

(2)运用极限平衡理论计算得出某矿913和914工作面的区段煤柱宽度应不小于19 m。

(3)采用数值模拟计算得到区段煤柱的合理宽度为20 m，现场实测进一步表明，煤柱宽度是合理的，符合回采安全和经济效益的要求。

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2014-10-24)

王 博(1991—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。