低煤層煤柱回采率與頂板和地表沉降研究

李 慧

（大同煤礦集團大斗溝煤業公司，山西 大同 037000）

0 引言

煤柱的回采意味著地表的沉降，如果煤層深度小于100m，沉降可能大。房柱回采沉陷預測非常復雜，取決于剩下的殘余煤柱的大小以及高度和回撤煤柱的狀態，與殘余柱的強度也有關。殘余柱的強度與開挖方法(鉆爆法或機械法)有關[1,2]。大同煤礦集團大斗溝煤業公司礦區內的一些整合的小煤礦，采煤方法以前為房柱開采法，其煤柱回采率越高，煤柱變形和頂板位移越大。以此建立頂板沉降預測模型，與實測沉降進行了對比。

1 現場采礦實踐和觀察

由于礦山的總產量較低，公司研究通過提高煤柱回采率來提高煤炭采收率。在試驗過程中進行了多次回采實踐的迭代，并將此方法應用于研究礦井。最初，只有一側煤柱回采了2m深。即回采前煤柱尺寸為7m×7m，回采后柱尺寸為7m×5m。該回采方式的采收率約為65%。圖1煤柱（B柱）為公司原回采后煤柱圖和現公司改進回采后煤柱A。

公司決定推進更高效的回采應用，挖掘更大體積的煤柱。第一次切割后，從礦柱上再挖出2m×5m的二次切割，將礦柱尺寸減小到只有5m×5m（圖1 A礦柱），改進后面板的全部采收率提高到75%～80%。

圖1 原回采后煤柱圖B和現改進回采煤柱圖A

圖2 工作面板爆破區和監測點

圖2 為改進后面板和監測點位置。實施爆破后柱子的最終形狀不是方形，這是由爆破過程失控造成。圖2為變形后柱子的最終形狀A和開采階段柱的形狀B。煤柱面積變化較大16～33m2之間，預計目標面積為25m2。爆破后平均柱面積為23.27m2，標準差為4.88m2。每根柱子的最終形狀和強度也是不同的。爆破作業對煤柱完整性的另一影響為：在爆破過程中，部分激波仍留在煤柱內，導致削弱剩余的支柱強度。

圖3實際頂板沉降監測值

圖3 為沉降區域的收斂監測。當工作面位于T36時，工作面后5～6排柱子開始擠壓，頂板沉降速度快，沉降量變大，如圖3（a）所示。失效的跡象是煤柱開始破裂。擠壓發生的非常快，之后頂板沉降率下降，最終在兩個月內穩定下來，如圖3（b）所示。在煤柱破壞過程中，對地表面沉降進行了監測。三個月后沉降達到平衡（如圖4所示）。

圖4 實際測量地表沉降值

2 支柱力量

采用Mark and Chase 2013年研究的煤柱穩定性（ARMPS）軟件設計工具分析設計煤柱，煤層強度輸入為6.5MPa[2]。煤層強度采用Satyanarayana I等人提出的反向分析方法。在Satyanarayana I等人的研究中，在145m的覆巖層深度下，采用高1.3m的5m×5m方柱進行面板試驗。在這次測試中，柱子沒有失效。據此估算煤體強度為6.5MPa[3,4]。

在本文重點研究的面板中，開發柱為7m×7m，剩余柱為5m×5m。Satyanarayana I等人進行的面板試驗與公司改進回采煤柱面板試驗的區別是：改進后的5m×5m煤柱是由煤柱兩側的兩組連續爆破而產生的結果（圖1中A煤柱）。

采用與ARMPS相同的反向分析方法，必須降低柱的強度，才能發生煤柱破壞。由于煤柱尺寸確實發生了變化，導致煤柱強度發生變化。表1顯示了由ARMPS估計的各柱的安全系數（SF）及爆破后的煤柱強度，省略一部分數據。

7m×7m計算開采煤柱和兩個計劃的回采煤柱尺寸的SF：兩個削減為（7m×5m）和兩個削減為（5m×5m）的回采煤柱。對于這些估計，使用較低的煤強度5MPa與原假設6.5MPa，見表2。

表1 各煤柱回采后SF值

表2 不同煤柱尺寸、不同煤柱強度的安全系數

3 沉降模擬

根據研究人員所描述的經驗方法，頂板與底板完全匯合的情況下，地表最大下沉量為頂板下降高度的80%[1]。然而，煤柱限制了頂板的運動，降低了頂板的總沉降量。從圖3可以看出，頂板最大沉降點約為40cm，是原始柱高1.3m的30.7%，根據經驗方法預測地表最大沉降是32cm，比實際地表測量值19.5cm大12.5cm。

3.1 數值模擬

為了建立一個數值模型來模擬面板上方的完整運動，考慮了所有覆巖層和煤層。圖1和圖2顯示了建模柱子的幾何形狀。

數值模型的目的是模擬面板沉降區域上方的煤柱擠壓和巖石運動。Plaxis3D是用來模擬沉降，使用真實的開采和殘余柱子的形狀如圖2所示。模擬擠壓煤柱的材料特性減少到模擬爆破效果（見表3和圖2），材料屬性定義了基于鉆孔地質特征描述和實驗室檢測的煤層特性。

表3 數值模型中巖石層的力學性質

利用現場測量的柱狀幾何圖形建立了兩種模型，模擬了開采和回采過程。根據監測圖（圖3）可知，煤柱塑性點少，豎向位移小，在回撤過程中，爆破效果降低了煤柱強度。圖5和圖6分別給出了開發階段和后退階段塑性點、豎向位移和豎向應力的模型結果。

圖5 煤柱在開采階段的塑性點、頂板豎向位移和豎向應力

圖5 為開采模型結果。煤柱周圍有少量塑性點，柱中心的豎向應力與柱周圍的豎向應力相差不大。說明由于鉆爆開挖，柱子的損傷很小。

圖6 煤柱在回采階段的塑性點、頂板豎向位移和豎向應力

從圖6中可以看出，煤柱周圍大量塑性點，柱中心的豎向應力與柱周圍的豎向應力相差較大。說明由于爆破開挖，導致煤柱強度受到較大破壞。圖6還表明，模型中煤柱破壞時的頂板最大位移52cm比現場測量值40cm大12cm。這表明更大的頂板和地表沉降是可能的。

4 結 論

對監測到的沉降和煤柱SF進行了反向分析和數值模擬。在現場監測基礎上標定的數值模型與井下觀測到的殘余煤柱的行為一致。因此，可以模擬不同的柱幾何形狀和回采序列。同時研究表明，由于殘余煤柱和低煤層導致實際沉降量低于常規預測方法預測的沉降量。