復雜地質條件下綜放區段煤柱優化

付 曉

（晉能集團錦瑞煤業有限公司，山西 呂梁 033400）

1 工程概況

山西錦瑞煤業為兼并重組礦井，位于河東煤田中段，設計生產能力120 萬t/a。礦井主采5、8、9號煤層。5 號煤層地質構造簡單，賦存穩定，煤層傾角平均7°，厚度平均6.4 m。礦井現開采5 號煤層一采區，工作面傾向長壁布置，機風巷斷面為矩形，采用“錨網噴+錨索”支護，綜放開采。如圖1 所示。

2 區段煤柱應力分析及變形破壞機理

區段煤柱，另一側為巷道，巷道開挖后周邊煤巖產生塑性變形。上一區段已回采工作面所形成的應力和巷道開挖形成的應力共同決定了區段煤柱的穩定性，其穩定性有三種表現形式：一是煤柱沒有出現任何形式的破壞，此種情況煤柱所受的壓力小于其承載能力，但此種情況下留設的區段煤柱寬度較大，通常為25～30 m，資源浪費嚴重；二是煤柱出現一定的變形但在可控范圍內，此種情況煤柱所受的壓力達到承載能力極限，但之后所受的壓力迅速減小，煤柱依靠自身的殘余強度來保持穩定；三是煤柱自身的殘余強度滿足不了承受的壓力，煤柱遭到破壞。

圖1 5 號煤一采區工作面布置圖

3 區段煤柱確定

3.1 煤柱尺寸數值模擬

根據錦瑞煤業一采區回采巷道現場調研情況，利用FLAC3D軟件，建立傾斜煤層數值模擬，分析在掘進及回采期間不同煤柱尺寸下垂直應力分布及圍巖變形特征，確定合理煤柱尺寸。本次進行分析研究的煤柱寬度分別為5 m、8 m、10 m、15 m、20 m、25 m。

3.1.1 垂直應力分布特征

（1）機巷掘進階段垂直應力分布

5102 機巷掘進時，根據模擬結果，不同寬度煤柱掘進階段垂直應力曲線如圖2 所示。

圖2 不同寬度煤柱掘進階段垂直應力曲線

由圖2 可知，在掘進階段不同寬度煤柱上的垂直應力峰值分別為16.2 MPa、20.2 MPa、21.7 MPa、21.9 MPa、20.6 MPa、20.0 MPa，最大值21.9 MPa 所對應的煤柱寬度為15 m，以15 m 煤柱寬度為界，其垂直應力峰值先增大后減小。由圖可知，煤柱寬度＞15 m 時，煤柱所受壓力出現雙峰狀態，說明此時煤柱內部出現能夠保持較高的承載能力，保證圍巖不破壞，而且煤柱寬度越大雙峰距離越大，煤柱越穩定。

（2）5102 工作面回采時煤柱垂直應力分布

受上區段已回采5101 工作面及5102 工作面回采的影響，其不同寬度煤柱對應的垂直應力曲線如圖3所示。本次模擬取值取自超前5102 工作面10 m 處的應力值。

由圖3 可知，不同寬度煤柱在回采階段，煤柱上的垂直應力峰值分別為17.9 MPa、21.4 MPa、22.6 MPa、22.9 MPa、21.8 MPa、21.0 MPa，最 大值22.9 MPa 所對應的煤柱寬度為15 m，結果和掘進階段一樣。以15 m 煤柱寬度為界，其垂直應力峰值先增大后減小。煤柱寬度＞15 m 時，煤柱所受壓力出現雙峰狀態，說明此時煤柱內部出現能夠保持較高的承載能力，保證圍巖不破壞，并且煤柱寬度越大雙峰距離越大，煤柱越穩定。

由圖3 分析可以得出，不同寬度煤柱在掘進和回采期間，以15 m 煤柱寬度為界，垂直應力峰值先增大后減小。但在煤柱寬度小于5 m 時，塑性區貫穿整個煤柱，巷道難以維護；煤柱寬度大于8 m時，并未出現應力驟降現象，說明只要煤柱寬度大于8 m，煤柱就能夠保持較高的承載力保證其穩定。

圖3 不同寬度煤柱回采階段垂直應力曲線

3.1.2 巷道圍巖變形特征

（1）5102 機巷掘進時巷道圍巖位移

對模型進行切片處理，截取模型巷道附近的垂直位移云圖和水平位移云圖，通過不同煤柱寬度下的位移云圖判斷巷道圍巖變形的整體趨勢及范圍。5102 機巷掘進時，提取巷道垂直位移值和水平位移值，巷道最大變形量如表1 所示。

表1 掘進期間巷道最大變形量

由表1 可知，受已回采的5101 工作面影響及沿空巷道掘進的影響，當煤柱寬度為5 m 時，塑性區貫穿整個煤柱，巷道難以維護；隨著煤柱寬度的增加，受影響范圍越來越小，巷道兩幫及頂底板變形量逐漸減?。辉诿褐鶎挾却笥?5 m 時急劇變小，并最終趨于穩定。同時根據數據對比，掘進期間巷道管理重點在煤柱幫及頂板。

（2）5102 工作面回采時巷道圍巖位移

5102 工作面回采時，取工作面超前10 m 處的位移情況進行分析。表2 為回采期間留設不同寬度煤柱情況下巷道表面最大變形量。

由表2 可知，回采時的變化趨勢和掘巷階段相同，但受采動影響，其變形量較掘巷階段大，煤柱幫及頂板仍是管理重點。當煤柱寬度為5 m 時，塑性區貫穿整個煤柱，巷道難以維護，隨著煤柱寬度的增加，變形量逐漸減小并最終趨于穩定。結合巷道圍巖的應力應變情況，煤柱寬度＞8 m 時，能夠滿足安全生產需要，通過數值模擬煤柱寬度取8 m。

表2 回采期間巷道表面變形量

3.2 基于極限平衡理論的窄煤柱尺寸優化

煤層應力極限平衡區范圍內的煤層界面應力為：

式中：

σy-正應力，MPa；

τxy-剪切應力，MPa；

m-煤層平均采厚，m；

β-測壓系數，β=μ/（1-μ），μ為泊松比。

合理煤柱寬度B 的計算公式為：

式中：

X1-煤柱的塑性區寬度，即為極限平衡區寬度X0，m；

X2-幫錨桿有效長度，m；

X3-煤柱寬度富余量，其值為（0.3～0.5）×（X1+X2），m。

5102 工作面煤厚平均為6.4 m，泊松比為0.28，側壓系數為0.54，巖層平均容重為25 kN/m3，巷道埋深400 m，錨桿的支護阻力為0.25 MPa，經計算X1=4.1 m。

幫錨桿有效長度X2=1.8 m。

X3=（0.3～0.5）×（4.1+1.8）=1.8～3 m。

由以上計算可以得出， 合理煤柱寬度

B=7.7～8.9 m。

3.3 區段煤柱的確定

根據建立的復雜地質條件下綜放區段煤柱在掘進和回采期間的數值模型，模擬出了不同煤柱寬度下的巷道應力應變情況，得出煤柱寬度為8 m，基于極限平衡理論計算得出的合理寬度為7.7～8.9 m，在考慮經濟效益的情況下，確定煤柱寬度為8 m。

4 結束語

錦瑞煤業以5 號煤區段煤柱為試驗對象，在理論研究的基礎上，運用數值模擬，模擬出不同煤柱寬度下的巷道在掘進及回采期間的應力應變情況，得出煤層寬度為8 m，結合理論計算的合理寬度7.7～8.9 m，最終確定煤柱寬度為8 m。錦瑞煤業每年有近2000 m 的沿空巷道，相比按經驗留設的25 m 煤柱，優化后每年可多回采近30 萬t 煤，在滿足安全回采下取得了可觀的經濟效益，沿空煤柱尺寸的研究模式可以在同類條件下推廣應用。