梗陽麥地掌煤礦回采面區段煤柱留設的優化設計探究

李 明

（山西天成元礦山安全技術咨詢有限公司，山西 太原 030000）

1 研究背景及目的

伴隨著我國社會經濟建設發展需要，對煤炭資源的需求將會逐漸增多，從淺部煤層到深部煤層的資源開挖勢在必行。隨著開采深度加深，其圍巖應力趨勢變化也將更加復雜，如巷道變形嚴重，礦壓顯現加深，因此深井高應力巷道圍巖穩定性控制已成為深部開采的一大難題。

目前國內外針對深井高應力巷道圍巖穩定性控制的手段主要是留設區段煤柱和加強巷道支護。但是留設區段煤柱合理寬度直接影響動壓回采巷道圍巖控制效果。本次研究以可采2 號煤層為例，針對在礦井安全生產中出現的巷道圍巖破壞情況，研究將理論分析、軟件模擬等方法相結合的綜合研究手段，確定麥地掌煤礦2 號煤層回采面的最優區段煤柱距離，以此減弱礦壓顯現的目的，實現礦井安全回采。對實現麥地掌礦井安全、高產、高效提供了重要的理論依據。

2 工作面范圍內外的采掘情況及其影響

太原梗陽麥地掌煤礦為典型的深井高應力礦井，主要開采2 號煤層，21208 和21210 工作面已形成。目前麥地掌煤礦2 號煤層回采工作面的區段煤柱寬度設計為20 m。在此安全保護距離下，順槽礦壓顯現嚴重，頂板下沉量大，圍巖穩定性較差，難以保證礦井安全生產。

本次研究以21206 工作面為例，工作面位于井田的西北部，北部為21208 相鄰工作面，采空區西部為采區邊界，南部為實體煤，東部為大巷。工作面地表無任何建筑物。工作面布置及相鄰工作面情況見圖1。

圖1 21206 工作面布置圖

2.1 煤層賦存條件

可采煤層2 號煤位于山西組中部，上距K4 砂巖25.87～37.65 m，平均 30.00 m，下距 6 號煤層 30.89～52.50 m，平均42.72 m。煤層厚1.55～3.25 m，平均2.42 m。結構簡單，一般不含夾矸，局部含1 層夾矸，屬全井田穩定的可采煤層。頂板巖性為砂質泥巖、泥巖、粉砂巖，局部為細粒砂巖；底板巖性為細粒砂巖、砂質泥巖。

2.2 現場檢測結果

經于2017 年5 月、9 月 2 次對麥地掌煤礦井下21208 回風順槽巷道支護進行了現場實地調查。經現場調查可知，麥地掌煤礦21208 工作面、運輸與回風順槽與開切眼已經貫通，工作面液壓支架已經布置完畢，回風順槽矩形段巷道頂板沿2 號煤層頂板掘進，采用錨網+錨索+鋼帶支護；現場觀測可知，巷道前端到開口150 m 處沒有出現過大的變形，巷道圍巖變形量小；150~400 m 頂板變形嚴重；在450 m 處巷道進入陷落柱區域，礦井根據實際情況進行了加強支護；450 m 后方局部頂板支護效果良好，無明顯變形。

3 巷道圍巖鉆孔窺視及窺視結果分析

3.1 鉆孔位置

3.2 分析匯總結果

根據現場鉆孔窺視結果可知，21208 回風順槽距開口200 m 處巷道頂板完整性較好，裂隙發育程度不高，沒有明顯頂板離層現象；600 m 處巷道頂板橫向裂紋較少、縱向裂紋較多，裂隙發育程度一般，沒有明顯頂板離層現象。1 000 m 處巷道頂板橫向裂紋、縱向裂紋較多，主要集中在7 m 之前，7~12 m 裂隙發育程度一般，沒有明顯頂板離層現象。1 200 m 處頂板有極少數橫向裂隙，個別最大寬度最大可以達到1 cm。存在多處破碎區域，范圍可達20 cm。存在彎曲型裂隙和離層現象。

4 巷道底板圍巖鉆孔取芯及巖層厚度測試結果

4.1 鉆孔位置

為了確定2 號煤層底板巖性情況，選擇在21208工作面運輸順槽560 m 處回風順槽860 m 處進行底板鉆孔窺視。

4.2 底板窺視及巖層厚度測試結果

在21208 運輸順槽距開口560m 處底板鉆孔窺視結果顯示：在0~2.15 m 范圍內，整體來看，巷道底板完整性較好，裂隙發育程度不高，沒有明顯裂隙及破碎區域，此區域為完整泥巖，在2.15 m 處，巖性明顯轉變為砂巖。21208 工作面運輸順槽560 m 處為褶皺發育區，巷道底板巖性因掘巷而裸露，通過現場測量，可以確定煤層底板巖性依次為0~1.1 m 粉砂巖（通過裸露構造確定），1.1~1.35m 泥巖（通過裸露構造確定），1.35 ~ 1.45m 煤線（通過裸露構造確定），1.45~2.15 m 泥巖（通過起底確定及鉆孔窺視確定），之下為砂巖（通過窺視確定）。

5 回采工作面區段煤柱合理尺寸的理論計算

5.1 用寬度條件確定區段煤柱尺寸

由上述內容可知，寬度條件確定區段煤柱尺寸的公式為式：

區段煤柱上、下側塑性區寬度x0、x1分別為：

區段煤柱彈性核臨界破壞寬度為

公式中：x0、x1為區段煤柱上、下側塑性區寬度，m；L1為煤柱彈性核破壞臨界寬度，m；為煤柱高度，m；K、K'為彈性核與頂底板界面下、上部塑性區與彈性核交界面上的應力集中系數；C、φ 為煤體的粘聚力、內摩擦角；C0為煤柱與頂底板界面的粘聚力，一般為0.1~20 MPa；φ0為煤柱與頂底板界面的內摩擦角，一般為1°～35°；γ、H為覆巖平均容重、煤層埋深；λ為塑性區與彈性核區的側壓系數。

本罪為情節犯，由法條可以看出，分為情節嚴重和情節特別嚴重，相對應的有兩種輕重不同的法定刑。至于何謂“情節嚴重”或“情節特別嚴重”，并沒有明確規定。一般認為，多次、大量非法獲取他人計算機數據的為情節嚴重。

麥地掌煤礦煤、巖層參數按表1 選取。

表1 麥地掌煤礦2 號煤、巖層參數

把表 1 中對應數值代入公式（1）~（3），計算得：

x0=2.54 m，x1=2.45 m，L1=0.2 m。

把以上值代入，計算得：

綜上，實際留設時，煤柱尺寸取30m。

5.2 用強度條件確定區段煤柱尺寸

區段煤柱寬度應為：

式中，Rc、Rt為煤體的單軸抗壓、抗拉強度，MPa；b為煤體寬度，m；m為煤柱高度，m；φ為煤體內摩擦角，°；σ為煤柱內平均應力，MPa。

考慮對整個煤柱來講平均應力取值應偏高，于是取煤柱平均應力為：

把表 3 數據代入式（4）、（5）得：

仍取開采擾動影響因子d=3；掘進影響因子α=1.2，因而得出煤柱寬度為

綜合寬度計算與強度計算的結果，初步確定煤柱合理寬度為30 m。

6 基于數值模擬的回采工作面區段煤柱合理尺寸的確定

為了合理的確定護巷煤柱的寬度，同時全面、客觀地反映巷道圍巖應力與運動規律，以麥地掌煤礦21206、21208 工作面為工程背景，構建FLAC3D三維計算模型，模擬分析煤柱塑性區分布情況及巷道圍巖變形狀況，從而確定2 號煤層回采工作面區段煤柱的合理寬度。

6.1 數值模擬計算模型的建立

為確定梗陽煤業回采工作面區段煤柱的合理寬度，以21206 及21208 工作面為工程背景，建立數值計算模型，根據煤層地質條件及現場實際情況，共設計了2 個計算模型。

圖2 數值模擬模型示意圖

1）模型模擬幾何尺寸：x×y×z = 長×寬×高=454.8 m×200 m×100 m。模型共劃分579 600 個單元，606 144 個節點。模型模擬2 號煤層厚2.42 m，煤層頂板56.95 m，底板40.35 m。

2）模擬過程中分別考慮。21208 工作面回采、21026 順槽掘進及21206 工作面回采3 個過程，分析煤柱屈服破壞范圍大小，應力分布情況（見圖2）。

3）模型邊界條件。如圖2（a）所示為數值模擬邊界示意圖，巷道沿著頂煤掘進，左側為21206 工作面，右側為21208 工作面，整個模型在前、后，左、右及下部均為固定邊界，限制水平位移。

6.2 數值模擬方案及過程

根據煤層地質條件及現場實際情況，共設計了2個計算模型，工作面區段煤柱的寬度分別為25、30m，論證25 m 及30 m 煤柱是否滿足強度及穩定性要求，研究內容為不同煤柱寬度時，煤柱塑性區及巷道圍巖變形量的分布情況，巷道受動壓影響程度，進而確定回采工作面區段煤柱的合理寬度。以21206 工作面為例進行研究。

模擬過程：首先回采21208 工作面、待工作面回采完成后（工作面推進長度y =170 m）開挖21206工作面回風及運輸順槽（開挖長度y = 200 m），順槽穩定后（運行到收斂），逐步回采21206 工作面并保存回采文件（工作面推進長度y = 100 m），為了更加符合實際條件，在煤柱及兩側巷道的網格加密。模擬圖略。

6.3 數值模擬結果及分析

圖3-圖4 分別為2 種不同寬度的區段煤柱在同一測點（100 m 處）采動影響前后的塑性區擴展計算結果圖。由圖可看出，當煤柱寬度為25 m 時，受采動影響前，左右幫破壞深度均為2.5 m；受采動影響后，煤柱側破壞深度由2.5 m 延伸到7.8 m，煤柱彈性區只剩4 m；當煤柱寬度為30 m 時，受采動影響前，21206 運輸順槽左右幫破壞深度均為2 m，受采動影響后，煤柱側破壞深度由2 m 延伸到3.5 m，煤柱彈性區仍有12 m。判斷煤柱是否失穩的標準為煤柱彈性區寬度是否大于2 倍的煤柱高度，顯然，當煤柱為25 m 時，彈性區寬度小于2 倍煤柱高度，而煤柱為30 m時，彈性區寬度大于2 倍煤柱高度，因此，當煤柱寬度為25 m 時煤柱失穩，寬度為30 m 時煤柱未失穩。

當煤柱寬度為25 m 時，煤柱上方巖層破壞區發生貫通現象，表示煤柱上方巖層發生嚴重破壞，頂板極易發生離層，當煤柱寬度為30 m 時，煤柱上方巖層破壞區未貫通，說明煤柱寬度為30 m 時，上覆巖層所受采動影響較小，發生整體離層現象可能性較小。

圖3 25 m 煤柱塑性區云圖

圖4 30 m 煤柱塑性區云圖

7 本次優化結論

本次優化研究以麥地掌煤礦2 號煤為研究對象，利用寬度和強度條件計算了煤柱寬度，采用FLAC3D軟件建立了考慮相鄰工作面采動影響的數值模型，對煤柱塑性破壞、彈性區寬度、煤柱上方頂板貫通程度的分析，得出以下結論：

利用寬度條件計算得煤柱寬度為29.56 m，利用強度條件計算得煤柱寬度為21.06 m，為了充分滿足寬度和強度條件，確定回采工作面區段煤柱的合理留設尺寸為30 m；通過數值模擬結果可知，根據留設煤柱寬度需大于等于2 倍煤柱高度的原則，確定留設30 m 煤柱。