近距離煤層開采區段煤柱留設研究

文/韓玉林

現代礦壓理論認為，應力集中程度對巷道的礦壓顯現程度起決定作用，將巷道布置在煤柱下方的低應力區是實現主動控制巷道穩定性的根本途徑，然而巷道布置受多方面因素影響，并不都能將巷道布置在應力降低區，這就需要研究近距離煤層煤柱在底板中的分布規律和影響范圍，對下部煤層回采巷道的合理位置進行探討，提出近距離下部煤層回采巷道的合理位置確定方法。

一、煤柱穩定性影響因素

1.煤體性質

在含節理弱面的煤柱穩定性和煤柱設計中，當抗剪強度不足時，應采取調整煤柱位置、加大煤柱寬度和進行充填等措施，提高煤柱的承載能力和穩定性。由于煤體中結構面的存在，使煤體與煤塊的力學特性之間有很大的差異，結構面對煤柱強度的影響主要表現為造成煤柱強度的各向異性和煤柱強度的降低。

2.圍巖對煤柱的影響

頂底板對煤柱具有端面摩擦效應，在相對煤柱較為堅硬的頂底板條件下，它起到加強煤柱穩定的作用。但是相對松軟的頂底板條件下卻會大幅度地削弱煤柱強度和穩定性。因此，在松軟頂底板條件下的煤柱設計時，應考慮因頂底板對煤柱的摩擦作用產生拉應力而增加的煤柱屈服區寬度。圖1為煤柱頂底板巖層應力分布情況。

Ⅰ—殘余破壞區；Ⅱ—承載軟化區；Ⅲ—局部破壞區；Ⅳ—彈性區；Ⅴ—原始應力區

3.寬高比的影響

根據國內外研究的結果和經驗數據可知，煤柱強度和壓縮變形變化的總趨勢是隨煤柱寬高比增大而增大的。同時，煤層傾角對煤柱穩定性的影響不容忽視，隨煤層傾角的增大，垂直于煤層層面方向的彎曲量減小，滑移量增加。但由于堅硬程度很難定量確定且變化很大，并且圍巖特性、煤層與煤樣的相對位置關系、煤柱與煤柱相對位置關系、煤柱強度等諸多因素都影響煤柱載荷的大小，所以煤柱設計應基于全部載荷設計，同時盡可能考慮各主要因素的影響。

二、煤柱應力傳遞數值計算

1.模型建立

運用FLAC3D數值計算軟件，將三維計算模型的長×寬×高設置為300m×100m×120m。共劃分出120000個長方體單元和1385000個網格點。模型側面限制水平移動，并施加隨深度變化的水平壓應力，模型的底面限制水平移動和垂直移動，模型的上部施加上覆巖層的自重應力。研究范圍內的巖層采用莫爾庫侖模型。計算模型單元的三維網格劃分圖如圖2所示。

2.單一煤層模擬結果分析

圖3是工作面推過30m后，不同煤柱寬度條件下主應力分布。通過模擬發現，大煤柱雖然穩定，但同時會在底板中形成較大的應力集中，在近距離煤層群開采中，大煤柱不利于下部煤層的巷道布置。所以，在布置下煤層回采巷道時，應避開應力集中，采用內錯式布置。

在單一煤層回采中，煤柱的寬度對巷道圍巖變形量和穩定性的影響很大，煤柱較小時，對控制巷道圍巖變形和提高穩定性有利。但煤柱過小，圍巖向巷道內的位移量會增大，因為煤柱較小時，在采動影響下，圍巖已經發生松動破壞，塑性變形量大，極為破碎，應力低，圍巖自身強度和承載能力很小。而煤柱寬度達到9m時，雖然該位置圍巖的應力較大，但由于處于應力集中區，巷道圍巖變形量也大，也不利于圍巖的穩定。這說明必須有一個合理的煤柱寬度變化范圍，才能保證巷道圍巖穩定又具有較高的強度和自身承載能力。同時，如采用小煤柱布置上煤層，在回采近距離煤層下部巷道時為避免應力集中的發生，下煤層煤柱可以采用內錯式、外錯式和重疊布置。

3.近距離煤層模擬結果

煤柱均布載荷向底板煤巖層傳遞的各應力影響范圍和分布形式有所不同，垂直應力影響范圍較大，而水平和剪應力的影響范圍相對較淺，各應力均按一定角度擴散。在底板不同深度水平截面上，距煤柱均布載荷作用點愈近，應力分布范圍愈小，且影響程度愈大。對新柳煤礦10#和11#近距離煤層開采，區段煤柱不同留設方式進行數值計算發現，10#采用留設20m煤柱，當10#煤采完后，會在底板形成應力集中，對底板影響范圍很大。將11#煤層巷道布置在10#煤采空區下，即布置在上煤層回采完形成的減壓區。通過模擬發現，當煤柱右錯20m時，下煤柱在上煤柱地板壓力集中區，下煤柱的穩定性受上煤柱的影響，下煤柱本身也會產生應力集中現象。這很容易造成下層煤巷道維護難度加大。當內錯距離增大到40m時，上煤柱對下煤柱影響范圍很小，基本可以保證回采巷道的穩定。

外錯布置不同于內錯布置，而是將下煤層巷道布置在上煤層煤柱外側。結果顯示，當下煤層煤柱外錯布置時，下煤層煤柱布置在上煤層的應力升高區，這將會使下煤層煤柱受上煤柱應力集中的影響，不利于下煤柱的穩定，加大了巷道的維護難度；而且上煤柱對下煤柱的影響存在不均衡性，在靠近上煤柱側會產生較大的變形，這對于巷道支護將有指導意義，即加強靠近上煤柱幫的支護強度。

當下層煤煤柱布置在上煤柱下面時，兩煤柱應力會產生疊加，應力集中程度大大增加，不利于巷道的穩定。應力集中程度還要受到煤柱寬度的影響，在現實生產中很少將巷道重疊布置，目的是為了避免應力集中，增加巷道維護難度。

三、近距離煤層煤柱布置

根據煤柱塑性區寬度實例計算結果，新柳礦極近距離煤層巷道布置形式如下：

1.當上層煤柱寬度小于6m時，可采用外錯式、內錯式和重疊式巷道布置形式；當上部煤柱寬度在6m～9m范圍內，可以采用內錯式布置形式或重疊式布置形式；當上部煤層的煤柱寬度大于9m時，宜采用內錯式布置形式。

2.當上部煤柱是錨桿支護巷道，則在計算時應考慮錨桿的作用因素。經計算，單一煤層時，煤柱最小尺寸在6.6m，所以當煤柱小于6.6m時，下層煤布置巷道時可以考慮內錯式、外錯式或重疊形式布置；當上部煤層煤柱寬度在6.6～9.9m時，宜采用內錯式布置形式或重疊式布置形式；上部煤層開采的煤柱寬度在15m以上，下部煤層開采時巷道內錯布置為宜。

四、結論

1.研究結果表明，煤柱上支承壓力分布是開采影響巖層相互作用的結果，是開采引起集中應力在煤層與直接頂界面上的直接反映。近距離跨采巷道圍巖位移受開采引起的整體位移場影響較大，而不單純決定于煤柱側支承壓力的作用。

2.煤柱寬度不同，在底板中形成的應力集中程度也不同。只有留設一個合理的煤柱才能保證巷道圍巖穩定又具有較高的強度和自身承載能力。

3.如采用小煤柱布置上煤層，在回采近距離煤層下部巷道時為避免應力集中的發生，下煤層煤柱可以采用內錯式、外錯式和重疊布置。如果上層煤柱是穩定煤柱，下層煤宜采用內錯式布置。