上下分組開采工作面煤柱留設(shè)尺寸研究

趙樹宇

（山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西忻州034000）

煤礦井下開采過程中，煤柱留設(shè)尺寸是工作面布置設(shè)計中需要考慮的一個重要部分。煤柱尺寸留設(shè)太小不利于巷道維護(hù)，留設(shè)尺寸太大容易煤炭資源的浪費，所以在設(shè)計留設(shè)煤柱時，應(yīng)合理考慮其尺寸大小[1-2]。因此，為確保工作面安全回采，以隆安礦11302工作面為例，結(jié)合工作面地質(zhì)條件，對其煤柱尺寸留設(shè)情況進(jìn)行研究分析。

1 工程概況

泰山隆安煤礦目前主采11#煤層，11#煤層分為2層，從巷道揭露情況看，11#上組煤厚度1.2～1.7m，11#下組煤厚度1.8～2.6m；11#上組煤與11#下組煤平均層間距為2.0m；11#煤下組煤厚度總體呈由東向西，由北向南逐漸變厚的趨勢。11#上下兩組煤開采時，采用下組煤工作面較上組煤工作面外錯的方式布置，把下組煤巷道布置在上組煤工作面煤柱之下。11302上工作面與11#下組煤工作面煤柱尺寸目前沒有確定。

11302工作面位于該礦一采區(qū)，北為井田邊界及神達(dá)望田煤業(yè)，南為11#煤采區(qū)回風(fēng)下山，東為實體煤，西為井田邊界及保德煤礦。上覆四周均有采空區(qū)存在：正上方為泰山隆安煤業(yè)8#煤一采區(qū)采空區(qū)，北部為神達(dá)望田煤業(yè)東回風(fēng)大巷，西部為保德煤礦81112工作面采空區(qū)，南部為原晉豫煤礦采空區(qū)。本工作面所在11#上組煤及其下部11#下組煤均為實體煤。

2 煤柱尺寸留設(shè)的基本原則

（1）最大限度減少煤柱損失。當(dāng)留設(shè)的煤柱尺寸較大時，在煤柱兩邊分別存在一個塑性區(qū)，在煤柱的中間區(qū)域存在一個彈性區(qū)；當(dāng)留設(shè)的煤柱尺寸較小時，煤柱中間區(qū)域的彈性變形區(qū)會消失，使得煤柱全部處于應(yīng)力塑性變形區(qū)域內(nèi)。能夠?qū)?yīng)力彈性區(qū)保持住的最窄小煤柱，被稱為穩(wěn)定煤柱寬度[3-4]。但是從縮小煤柱尺寸，減少煤炭損失，提高資源回收率角度考慮，即使不能確保煤柱在受到工作面回采時動壓影響后仍能保持一定的彈性區(qū)域，但煤柱也不能出現(xiàn)松動變形破壞，而是應(yīng)保證煤柱在受到工作面回采時動壓影響后仍能保持有較高的支撐強度和抗壓能力。

（2）適應(yīng)巷道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律。工作面巷道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律對煤柱留設(shè)寬度有重要影響。在設(shè)計煤柱留設(shè)位置時，既要考慮工作面頂板來壓時頂板巖層斷裂的位置，又要考慮工作面回采結(jié)束穩(wěn)定后煤柱支承壓力對頂板長期作用的影響。

（3）確保巷道圍巖變形滿足生產(chǎn)需要。合理的煤柱寬度能夠確保圍巖變形量在允許范圍內(nèi)，在煤柱的有效支護(hù)狀態(tài)下，巷道圍巖變形后，巷道斷面能夠滿足工作面正常生產(chǎn)期間的通風(fēng)、運輸和行人要求。

（4）滿足煤柱自身承載能力。煤柱寬度大小對其自身承載能力影響極大。煤柱尺寸過小，在工作面采動影響下容易遭到破壞，造成巷道圍巖變形破壞，巷道失穩(wěn)，煤柱自身承載能力下降；煤柱尺寸過大，煤炭采出量減少，煤炭資源回收率降低，損失嚴(yán)重。

3 煤柱尺寸及巷道與采空區(qū)錯距設(shè)計

3.1 11#下組煤煤柱尺寸大小設(shè)計

根據(jù)泰山隆安礦的地質(zhì)資料，利用FLAC3D建立尺寸大小為500m×60m×50m數(shù)值模型，確定11#下組煤煤柱時，分別模擬煤柱尺寸為10m、11m、12m時圍巖應(yīng)力分布情況，考慮現(xiàn)場實際情況，模擬時開挖11#上組煤工作面以及下組煤相鄰工作面，開挖情況如圖1所示。

圖1 11#下組煤煤柱尺寸模擬時工作面開挖情況

對煤柱尺寸10m、11m和12m時的圍巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬分析可知：在煤柱尺寸為10m時，11#下組煤巷道與11#下組煤的采空區(qū)之間沒有應(yīng)力降低區(qū)，此時煤柱內(nèi)應(yīng)力高，巷道維護(hù)困難，煤柱尺寸偏小，在此煤柱尺寸下巷道容易發(fā)生大變形；在煤柱尺寸為11m時，11#下組煤巷道與11#下組煤的采空區(qū)之間有寬度為2m的應(yīng)力降低區(qū)，該應(yīng)力降低區(qū)的存在有利于保持煤柱穩(wěn)定；在煤柱尺寸為12m時，11#下組煤巷道與11#下組煤的采空區(qū)之間有寬度為3.5m的應(yīng)力降低區(qū)，隨著煤柱尺寸的增加，應(yīng)力降低區(qū)寬度增加。

煤柱尺寸確定原則是，在能保證巷道安全使用的前提下，確定最窄的煤柱寬度，根據(jù)以上研究結(jié)果，結(jié)合其它采煤工作面實際經(jīng)驗，確定11#下組煤煤柱寬度為11m。

3.2 11#下組煤巷道與11#上組煤采空區(qū)錯距設(shè)計

利用上述建立的模型，確定11#下組煤巷道與11#上組煤采空區(qū)錯距時，考慮現(xiàn)場實際情況，模擬時開挖11#上組煤工作面，11#上組煤工作面開挖后，巷道圍巖應(yīng)力變化分布具體情況如圖2所示，從圖中可以看出，在距11#上組煤采空區(qū)4m以內(nèi)時，有明顯的應(yīng)力集中，在下組煤巷道位置布置設(shè)計時，巷道最好不要布置在高應(yīng)力集中區(qū)域，結(jié)合其它礦井實際經(jīng)驗，確定11#下組煤巷道外錯11#上組煤采空區(qū)錯距為2m。

圖2 11#上組煤巷道開挖后巷道圍巖應(yīng)力變化分布情況

綜合以上研究，11#下組煤煤柱尺寸確定為11m，11#下組煤巷道外錯上組煤采空區(qū)錯距為2m，再加上運輸順槽寬度5m，回風(fēng)順槽寬度4.6m，考慮掘進(jìn)誤差，兩條順槽寬度設(shè)為10m。因此，確定11#上組煤工作面煤柱為25m。11#上下兩組煤工作面布置情況如圖3所示。

圖3 11#上下兩組煤工作面布置情況

4 現(xiàn)場實測效果分析

4.1 測站布置

為掌握工作面留設(shè)的煤柱在工作面采動影響下實際受力情況，在11302上下組工作面順槽距工作面210m和255m處分別設(shè)置2個測站，對巷道頂?shù)装寮皫筒恳平亢兔褐鶓?yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測。每個測站設(shè)置3個鉆孔應(yīng)力測力計觀測煤柱應(yīng)力分布變化情況，鉆孔深度分別為5m、10m和15m，間距為2m，距巷道底板高度1～1.5m。同時在每個測站處采用“十字”觀測法進(jìn)行布點觀測巷道圍巖位移變化情況。

4.2 觀測效果分析

每間隔5d對測站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集一次，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)整理后繪制如圖4、圖5曲線圖。

圖4 煤柱應(yīng)力變化曲線圖

圖5 巷道圍巖位移變化曲線圖

從圖4中可以看出，設(shè)置在深度為5m和15m處的應(yīng)力計觀測數(shù)據(jù)一直是0，說明在該處的測點處在塑性區(qū)未發(fā)生變化，而埋深在10m處的應(yīng)力計數(shù)據(jù)一直處于上升狀態(tài)，說明巷道10m位置處于彈性變形區(qū)。綜上分析可知，在工作面采動影響下形成的巷旁塑性區(qū)寬度在5～10m范圍內(nèi)。

從圖5中可以看出，隨著工作面的向前推進(jìn)，巷道頂?shù)装逡平亢蛶筒课灰屏烤幱谥饾u變大趨勢，但最終頂?shù)装逡平繛?3mm，幫部位移量為21mm。

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬試驗分析，確定了11#下組煤和上組煤工作面留設(shè)煤柱尺寸分別為11m和25m時，經(jīng)現(xiàn)場實踐觀測結(jié)果表明，工作面回采過程中，工作面采動影響對巷道和煤柱影響不大，巷道沒有發(fā)生大的破壞變形，煤柱也一直保持較為穩(wěn)定狀態(tài)，保證了工作面安全回采，證明了留設(shè)的煤柱尺寸大小既能保證工作面安全回采，又能減少工作面煤炭資源浪費，該煤柱大小尺寸是合理的，為礦井今后工作面煤柱留設(shè)設(shè)計提供了極大參考價值。