分層開采停采煤柱承載特性與寬度設計研究

馬宏飛，段洋洋，靳毅軍，王學敏

(1.沁和能源集團有限公司，山西 晉城市 048205；2.慈林山煤業公司慈山煤礦，山西 長治市 046600)

0 引言

煤礦大巷兩翼分布有工作面時，留設寬煤柱是維護巷道圍巖穩定性的關鍵[1]，需要綜合考慮煤層埋深、采厚、巖性、開采方法等多個因素[2?3]。當厚煤層工作面采用分層開采時，停采煤柱先后經歷兩次采動影響，相比綜采工作面，其內部煤體的應力分布和承載狀態更加復雜。

陸衛東等[4]對厚煤層分層開采的可行性進行了研究，得出煤層支承應力分布可分為原巖應力區、應力集中區、卸壓區以及應力恢復區4 部分，下分層煤體應力隨上分層界限遠近呈現線性遞增關系；李國志等[5]研究了分層開采中的煤柱承載問題，認為其內部煤體受多次采動影響后，承載能力會呈現階段降低的現象，煤幫區域易出現錨固區損傷導致的巷道圍巖大變形；唐啟勝等[6]通過數值模擬得出停采煤柱內部出現應力集中區，隨著煤體與停采線距離的增大，圍巖的整體位移量和變形量逐漸減小，基于現場測試驗證了80 m 煤柱寬度的合理性；張科學[7]采用理論計算、數值模擬等，分析了采動應力的鈍角三角形、銳角三角形、梯形分布規律，確定了最優煤柱寬度；薛琦[8]通過大巷雙側采動下的變形破壞特征與應力分布位置，確定出合理停采線位置。劉林[9]以同忻煤礦三盤區回風大巷保護煤柱留設為例，認為煤柱寬度取得合理值時，其承載能力要大于采動平均應力，在兩翼分布有工作面時，采動應力對煤柱和大巷圍巖穩定起到顯著影響。申海軍[9]提出煤層厚度越大，支承應力影響范圍越大，應在保證煤層大巷長期穩定的前提下確定合理停采煤柱寬度。

本文以晉城端氏煤礦為工程背景，對工作面分層開采下的停采煤柱承載特性進行具體研究。

1 工程概況

端氏煤礦煤層埋深300 m 左右，采用長壁分層開采，采用3 條大巷布置（回風大巷、膠帶大巷、軌道大巷），南翼布置有分層開采工作面，煤層厚度5.1 m，開采區域構造簡單。

煤層頂底板以砂巖和泥巖為主，上方頂板包括6.0 m 泥巖和2.1 m 細砂巖，底板以2.0 m 粉砂巖和6.1 m 泥巖為主，夾雜少量砂質泥巖。

開采煤體為裂隙發育脆性巖體，在煤柱留設區域多有片幫現象，承載狀態不穩定，軌道大巷曾因停采煤柱留設不合理導致局部圍巖大變形問題。

圖1 大巷及南翼工作面開采

2 分層開采停采煤柱承載特性分析

2.1 模型建立

采用數值模擬軟件FLAC3D分析端氏煤礦軌道大巷南翼分層開采工作面的停采煤柱承載特性。

將工作面煤巖體物理力學參數代入FLAC3D進行計算，計算分為4 個步驟：地應力平衡-大巷開挖-上分層煤層開采-下分層煤層開采。模型表面施加5.95 MPa 垂直應力，模型考慮到邊界效應影響，在軌道大巷煤柱區域和工作面區域的寬度各自設置為40 m、150 m，模型大小為194.5 m×50 m×100 m（長×寬×高）。

2.2 分層開采采動應力分布

南翼工作面開采分為上下兩部分，上分層開采與普通綜采工作面礦壓規律一致。下分層開采則受到已開采工作面的影響，采動應力分布規律出現變化，超前應力分布處于動態變化中，上下分層分別開采之后，其停采煤柱的應力分布情況如圖2 所示。

圖2 上下分層開采后的超前采動應力分布云圖

圖2（a）顯示在煤層的上分層工作面開采后，前方超前應力分布呈現先升高后降低的趨勢。在下分層開采至距離停采線15 m（如圖2（b）所示），原來的應力環境發生改變，圍巖中的應力峰值增大、峰值應力位置向前移動2.6 m。下分層工作面開采導致煤體應力發生動態改變，峰值應力點向前移動、原峰值應力點位置的垂直應力降低，這表明停采圍巖的內部承載受下分層開采影響出現弱化。總體來說煤柱內的應力分布值小于上方巖層，但兩者規律保持一致。

2.3 停采煤柱承載特性分析

取煤層中上部為應力測線，分別提取停采線前5 m 至后50 m 的垂直應力值，形成如圖3 所示的煤柱內垂直應力在推進方向上的分布曲線。

圖3 下分層工作面開采至不同位置的垂直應力分布曲線

與圖2 的應力分布云圖類似，在工作面前方的煤柱內部，其峰值應力隨著與停采線距離的增加先升高后降低。以下分層工作面開采到停采線15 m 為例（圖中紅色曲線），煤柱內的垂直應力先是逐漸升高，在11.6 m 處達到最大值21.8 MPa，隨后逐漸下降到原巖應力狀態，在48.2 m 處達到7.4 MPa。對比圖2（b）和圖3，在下分層工作面開采至同一位置時，煤柱內和上方巖層的峰值垂直應力分別為23.2 MPa 和27.2 MPa，這是由于上覆頂板的下沉擠壓和煤體自身強度較低導致，因此分層工作面的停采煤柱承載更容易受開采影響出現弱化現象。

下分層工作面自停采線前30 m 逐步開采至停采線處的過程中，煤柱內的垂直應力峰值逐漸升高（從18.1 MPa 達到23.4 MPa）、應力峰值逐漸向深部轉移（從停采線后9.7 m 到11.8 m），這說明當下分層開采后，煤柱內部的承載發生動態變化。隨著工作面臨近停采線，停采煤柱需要更大面積的承載范圍。峰值應力前的內部為塑性承載和峰后殘余強度承載，煤柱總體承載力隨開采范圍增大而逐步下降。同時，下分層工作面越接近停采線，前方煤柱范圍內的超前采動應力越大，影響范圍由38.4 m 增大到49.6 m，這意味著南翼分層開采工作面需要留設更大寬度的停采煤柱，來保證超前采動應力下軌道大蒼圍巖的長期穩定。

3 停采煤柱寬度設計

當煤柱處于超前采動應力影響范圍之內時，大巷的煤柱側巷幫受高應力作用更加難以維護，容易出現片幫、煤體破壞、支護體損傷等問題。因此，停采煤柱寬度合理取值范圍應大于煤層所有分層工作面開采結束后的超前采動應力影響范圍。由圖3 可知，下分層工作面開采后的影響范圍為50 m 左右，考慮到大巷開挖后會存在支承應力，應額外增加一定寬度。最終，確定停采煤柱寬度為60 m。

在現場進行煤柱寬度工業試驗，南翼上下分層工作面回采至軌道大巷前65 m（包括60 m 停采煤柱及5 m 回撤通道寬度）時開始撤移設備。自南翼工作面開采結束后，軌道大巷服務期間無大變形和巷幫失穩現象，圍巖總體穩定、支護體保持完整。現場應用證明，基于煤柱承載特性的留設寬度設計合理。

4 結論

本文以端氏煤礦南翼分層工作面為研究背景，研究了上、下分層工作面開采后的超前采動應力分布規律，垂直應力總體呈現先升高后降低至原巖應力的趨勢；基于數值模擬結果，得出下分層工作面開采會導致煤柱內的峰值應力增加、峰值點向深部轉移，煤柱承載力弱化、承載面積增大；基于停采煤柱內部的承載特性和應力分布，最終確定留設寬度為60 m，現場應用表明軌道大巷無明顯變形，寬度設計滿足要求。