沖擊地壓條件下特厚煤層區段煤柱合理寬度研究

李承軍，秦慶舉，苗現華，劉 剛

(陜西金源招賢礦業有限公司，陜西 寶雞市 721500)

目前，我國部分煤礦仍存在依靠經驗來確定煤柱寬度，缺乏科學性和針對性。煤柱過窄，雖然能減少煤炭損失，但煤柱容易失穩，不僅給巷道維護造成困難而且容易造成采空區漏風、難以阻擋采空區積水且極有可能發生沖擊地壓。煤柱過寬，導致煤炭資源的浪費，且難以保證巷道處在支承壓力卸壓帶范圍內。對于沖擊地壓礦井，受采掘影響，煤柱往往受到幾個方向集中應力的疊加作用，導致煤柱附近易發生沖擊地壓[1-2]。因此，合理確定煤柱寬度，兼顧資源回采率、巷道穩定性和安全生產及經濟效益是本文研究的重點。

1 礦井概況及地質特征

陜西某礦井設計生產能力2.4 Mt/a。首采區為一采區，北部以33西部采區北部3煤層尖滅線和+980 m水平開拓大巷為界，東部以32采區巷煤層南部尖滅線為界，南以34采區南部和33采區與37采區邊界為界，西以34采區下山和33采區與35采區邊界為界，面積約9.44 km2。一采區主采煤層為3煤層，厚度1.62～25.79 m，平均13.76 m，為特厚煤層，采用綜采放頂煤采煤方法。煤層為易自然發火煤層，并有煤塵爆炸危險性，礦井屬于高瓦斯礦井，地溫、地壓正常。3煤層頂板多為深灰色粉砂質泥巖，厚度0.9～55.2 m，平均5.42 m，個別地段直接與第二段底部砂巖接觸；底板為灰黑色炭質泥巖，厚度0.18～19.78 m，平均厚度1.16 m。

根據天地科技股份有限公司出具的《礦井沖擊危險性評價與防沖專項設計研究報告》，3煤層地質技術條件評價的沖擊危險指數為0.42～0.62，具有弱與中等沖擊危險性。

2 存在問題分析

礦井原設計區段煤柱寬度為8 m，既沒有經過科學合理計算，又沒有充分考慮地質條件，只是根據煤柱留設經驗值得出的結果。基于經驗留設的窄煤柱，在下一個區段順槽掘進時由于高應力作用，煤柱破裂導致錨桿安設在破碎圍巖中，致使錨固力減弱，支護作用降低。而煤柱破裂又起不到隔離采空區的作用，對采空區漏風供氧，引起煤炭自燃，導致采空區有害氣體滲漏到順槽，難以控制次生災害發生。彬長礦區的水簾洞煤礦，地質條件與該礦相似，曾進行區段窄煤柱現場工業性試驗，結果次生災害頻發，礦井安全生產受到嚴重威脅。

3 區段煤柱合理寬度的理論計算

回采與新開掘巷道在煤柱邊緣會出現數倍于γH的集中應力，在煤柱兩側分別形成一個寬度為R0與R的塑性變形區。當煤柱寬度B小于煤柱兩側的塑性區寬度R0與R之和時，煤柱兩側的塑性區相貫通，煤柱失去穩定性，出現崩塌現象。因此，區段煤柱保持穩定的基本條件是：煤柱兩側產生塑性變形后，在煤柱中央區域仍處于彈性應力狀態，即在煤柱中央區域保持一定寬度的彈性核。大量現場實踐表明，彈性核的寬度不低于煤柱高度h的2倍，即B≥R0+2h+R。根據煤巷兩幫煤體應力和極限平衡理論[3-5]，煤柱保持穩定狀態的寬度為：

B=R0+2h+R

(1)

式中,B為煤柱寬度，m；R0為上區段工作面開采在煤柱中產生的塑性區寬度，m；h為區段平巷高度，4 m；R為本區段采準巷道在煤柱中產生的塑性區寬度。

式(1)中，R0、R分別由式(2)、式(3)計算：

(2)

(3)

上述相關參數選取根據中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室在該礦+780 m北翼輔助運輸大巷頂板巖樣、煤樣及井底車場底板巖樣的力學性能測試結果而定。

經計算，得出煤柱寬度B=26.3 m。

4 區段煤柱合理寬度的數值模擬研究

為了確定煤柱留設參數的合理性，利用FLAC建立模型，模擬不同區段煤柱寬度(4，6，8，9，10，11，13，15，17，19，22，25，29，33，37，41，45，50 m和55 m)時煤柱及其頂底板中的垂直應力分布，從而最終確定區段煤柱留設參數。

圖1 部分不同煤柱寬度數值模擬云圖對比

根據不同煤柱寬度圍巖垂直應力分布可知：當煤柱寬度小于10 m時，煤柱位于應力降低區內，進入塑性狀態，所承受載荷較小，應力峰值深部轉移(巷道側)；當煤柱寬度大于10 m以后，煤柱中應力峰值迅速上升，并且開始形成彈性核，但此時的應力集中系數與采空區所形成的應力集中基本相當；當煤柱寬度達到20～25 m左右時，煤柱內應力達到最大值，應力分布性狀為單峰值，表明此時采空區與巷道掘進所形成的應力峰值相互疊加最為充分。隨著煤柱寬度的進一步加大，煤柱內應力分布逐漸成馬鞍狀的不對稱雙峰分布，應力集中程度相應降低，且煤柱內峰值應力逐漸遠離巷道一側。

從礦壓防治角度，煤柱過小，起不到保護巷道的作用；煤柱超過一定寬度，造成局部應力集中，在煤柱內形成“沖擊核”，導致強礦壓顯現；煤柱太寬，煤炭資源回采率低。從防治水角度，區段煤柱應能抵抗住來自采空區積水的水壓。從防滅火角度，區段煤柱寬度應能保證煤柱具有一定的完整性，可有效防止采空區漏風，達到防火目的；而采用留設小煤柱護巷時，則需要加強防滅火措施。從防治沖擊地壓角度，根據中國礦業大學《首采區沖擊危險性評價及防沖專項設計研究報告》中的煤柱寬高比和承載特性關系，臨界煤柱的寬高比介于5～10之間，回采巷道高度設計為3.8 m，煤柱寬度的留設寬度宜小于11.4 m或大于38 m。

綜上，綜合安全、經濟因素，寬度35 m左右的煤柱比較經濟合理。

5 結 論

根據極限平衡理論計算，結合數值模擬分析及礦壓防治要求，同時考慮對次生災害(防治水、防滅火、防治沖擊地壓)的控制，最終確定該礦井區段煤柱寬度為35 m左右。優化后的區段煤柱參數可避開支承壓力峰值區，有利于下區段順槽巷道維護；同時可保證煤柱具有一定的完整性，減少煤炭破碎，控制瓦斯溢出、殘煤自燃、采空區水害及沖擊地壓等次生災害發生，兼顧了資源回采率，有效保證了礦井安全生產。