大傾角厚煤層綜采面回采對鄰近煤柱和掘進面的影響研究

王正帥，劉 軍

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著煤炭供給側結構性改革的深入推進和產業結構調整，我國煤礦單井平均產能已達92萬t/a，千萬噸級生產煤礦42處，千萬噸級在建和改擴建煤礦37處(截至2018年底)，開采強度快速增大的綜合機械化開采是我國煤層開采的主要方向[1]。工作面回采時，區段煤柱兩側巷道位于應力增高區內受采動影響，煤柱尺寸過小時難以保證巷道穩定，煤柱尺寸過大又造成資源浪費，因此工作面區段煤柱合理寬度的確定對提高資源利用率和安全開采起著重要作用[2]。多年來，諸多學者對采場支承壓力分布[3-4]、不同尺寸煤柱破壞傾向性[5]、煤柱穩定性評價[6-7]、煤柱合理寬度[8-10]等開展了研究。伍永平等[11-15]通過理論分析、物理模型試驗、現場實測等方法研究發現大傾角煤層特殊的賦存條件，造成大傾角煤層開采中頂板空間應力場的分布規律、頂板破斷垮落后所形成的圍巖結構等較緩傾斜煤層開采時異常復雜，大傾角煤層開采中的礦壓顯現規律總體呈現出非對稱特征，導致煤柱受力復雜、維護難度大。本文在已有研究基礎上，采用數值模擬方式，根據地質條件研究大傾角厚煤層開采時區段煤柱合理寬度的范圍和回采面回采對鄰近掘進面的影響，并通過現場應力監測驗證數值分析結果的準確性，為礦井煤柱留設寬度的選擇及優化提供依據。

1 工作面概況

新疆南山煤礦B8煤層B801工作面為礦井首采工作面，走向長950 m，傾向長114～136 m，切眼處長度114 m，走向長壁后退式一次采全高采煤法，全部垮落法處理采空區頂板。煤層傾角38°～42°，煤層厚度4.2 m，結構穩定、全區可采，為高揮發分弱黏結煤，與下部B7煤層間距平均6.55 m，與上部B9煤層間距平均21.2 m。偽頂為厚0.2 m的灰黑色泥巖，堅固性系數2；直接頂為厚20.2 m的灰黑色粉砂巖，基本頂為厚14.6 m的淺黑灰色細砂巖，直接底為厚1.2 m的灰黑色細砂巖，堅固性系數為4～6。

2 區段煤柱受力特征

2.1 不同傾角煤層煤柱應力分布

為研究不同煤層傾角條件下區段煤柱受力特征，根據南山煤礦地質資料，建立煤層傾角分別為35°、40°、45°，區段煤柱為20 m的幾何模型，采用FLAC3D進行數值模擬。不同煤層傾角工作面及區段煤柱的垂直應力分布如圖1所示，應力曲線如圖2所示。

圖1 不同煤層傾角區段煤柱垂直應力分布

圖2 不同煤層傾角區段煤柱垂直應力曲線

從圖1、圖2可知，大傾角煤層工作面區段煤柱集中應力最大值位于煤柱上部靠近上區段工作面的頂板處；隨著傾角的增加，集中應力作用點向頂板上部(煤柱上端)及工作面煤壁內部轉移，當工作面傾角為45°時，煤柱出現非對稱的“馬鞍形”應力分布曲線，說明煤柱受到的工作面與煤柱側疊加應力并非均勻分布，靠近上區段側的應力集中明顯高于下區段側。

2.2 不同寬度區段煤柱受力特征

分別建立煤柱寬度為5、10、15、20、25、30 m的數值模型，煤層傾角40°，工作面傾向長114 m，采高4.2 m，進行數值模擬分析，研究不同寬度區段煤柱的受力變形和破壞規律，以便確定區段煤柱的合理尺寸。工作面回采后，工作面應力分布及不同寬度區段煤柱的垂直應力分布云圖如圖3所示，應力曲線(測線與巷道底板高度一致)如圖4所示。

從圖3可知，大傾角煤層工作面應力集中區域與緩傾斜煤層表現出明顯不同，應力集中主要位于工作面上端部往上3 m左右范圍內的底板和下端部往下20 m左右范圍內的頂板中。從圖4可知，當煤柱寬度為5～10 m時，煤柱整體承載壓力較大，巷道處在應力集中區內。當煤柱寬度為15～20 m時，巷道逐漸遠離應力峰值；當煤柱寬度大于20 m后，煤柱所受應力呈“馬鞍形”，說明煤柱中已出現明顯的一定寬度的彈性區域。因此，從數值模擬分析看，區段煤柱寬度15～20 m較合適。

圖4 不同寬度區段煤柱垂直應力曲線

3 回采對鄰近掘進面的擾動

采用FLAC3D模擬分析B801回采面回采對鄰近下區段工作面回風巷掘進面的影響。模型長度700 m，寬250 m，高322 m，工作面傾向長114 m，區段煤柱寬20 m，煤層傾角40°。工作面布置及模型尺寸如圖5所示。

圖5 工作面布置及模型尺寸

首先，在初始模型基礎上回采工作面100 m，相鄰下區段工作面回風巷掘進100 m后停掘，此時回采面和掘進面相距400 m。此后，工作面每次回采40 m，兩面距離縮短40 m，直至回采工作面越過掘進工作面120 m，即兩面相距-120 m。模擬結果如圖6所示。

圖6 回采工作面對鄰近掘進面的影響

由圖6可知，兩面相距400 m，回采面周圍壓力最大值11 MPa，位于運輸巷一側，相鄰掘進面最大壓力6 MPa，兩面沒有互相擾動影響。兩面相距200 m，回采面周圍最大壓力值16.3 MPa，位于兩巷側，工作面前方壓力最大值為11.2 MPa，其相鄰掘進面最大壓力為6.2 MPa，兩面開始有擾動影響。兩面相距0 m，回采面周圍最大壓力值為17.5 MPa，位于運輸巷側，工作面前方壓力最大值為12.8 MPa，其相鄰工作面回風巷最大壓力為7.9 MPa，兩面相互擾動加劇。兩面相距-40 m時兩面之間的擾動基本達到最大值，回采面周圍壓力最大值為17.5 MPa，位于運輸巷側，工作面前方壓力最大值為13.2 MPa，其相鄰工作面回風巷道最大壓力為8.5 MPa。

4 現場煤柱應力監測

根據數值模擬結果，礦井確定首采工作面的區段煤柱寬度為20 m，在下區段回風巷掘進工作面掘進至距離回采面260 m時停止掘進，開展區段煤柱應力監測。從停掘的回風巷內向區段煤柱中施工鉆孔布置應力測點，采用鉆孔應力計監測煤柱受力變化情況，在煤柱內共安設9個鉆孔應力計。鉆孔垂直煤柱煤壁施工，開孔高度1.2 m，孔徑42 mm。應力計的安裝深度分別為18、16、14、12、10、8、6、4、2 m，編號依次為1號—9號。從掘進面退后1 m開始安裝1號鉆孔應力計，此后每后退5 m安裝1個，監測回風巷掘進面之后長40 m的煤柱范圍。應力傳感器的初始值設置為4 MPa。回采工作面與掘進面相距400、218、0、-46 m時煤柱的壓力如圖7所示。

圖7 區段煤柱沿傾向壓力分布

經過對數據和變化曲線的分析，當回采面距離掘進面218 m時，煤柱壓力出現變化，1號—3號測點壓力開始升高，表明回采面與掘進面已開始互相擾動；當回采面越過掘進面46 m后各測點壓力值變化較小，表明工作面回采對區段煤柱的影響已經趨于穩定，煤柱壓力與未受回采影響時相比增加了40%～60%，說明回采對區段煤柱影響十分明顯，造成應力在區段煤柱上疊加集中；煤柱靠近運輸巷側應力集中明顯大于下區段側。

由圖7可知，煤柱靠近上區段側塑性區范圍約6 m(塑性區1)，靠近下區段側塑性區范圍約4 m(塑性區2)，煤柱中部的彈性核寬度約為10 m。根據彈性核理論，中部10 m寬的彈性核大于2倍的采高，因此20 m寬的煤柱能夠保持穩定。根據彈性核理論計算認為，最佳煤柱寬度為18.4 m。

5 結論

(1)大傾角煤層工作面應力集中區域與緩傾斜煤層明顯不同，煤柱受到的工作面與煤柱側疊加應力并非均勻分布，靠近上區段側的應力集中明顯高于下區段側。

(2)當前南山煤礦B8煤層大傾角工作面20 m寬區段煤柱能夠保持穩定；大傾角煤層區段煤柱中能夠存在彈性核，通過彈性核理論計算得到其合理區段煤柱寬度為18.4 m。

(3)回采工作面與相鄰掘進工作面相距218 m時開始相互擾動，兩面之間的最大擾動影響發生在回采面越過掘進面46 m時，煤柱壓力與未回采影響時相比增加了40%～60%，回采對區段煤柱影響十分明顯。