寺家莊煤礦大采高工作面區段煤柱留設寬度研究與應用

席冰冰

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

山西陽煤寺家莊煤業有限公司現階段主采15#煤層，15#煤層位于石炭系上統太原組。15117 工作面上部及周邊均為實體煤巖層，以北緊鄰二盤區三條準備大巷，以南靠近礦井井田邊界，以西為15115 工作面，以東為15119 工作面（規劃）。地面標高+918～ +1068 m，埋深417～638 m，煤層厚度3.1～8.0 m，工作面傾斜長度200 m，煤層傾角4°～30°，煤層硬度2～3，煤層頂底板巖性特征詳見表1。15#煤層一采區工作面回采巷道采用雙巷掘進，本工作面運輸順槽與接替工作面回風順槽同時掘進，區段保護煤柱18.5～20.0 m。15117 回風順槽在鄰近工作面采動影響下，表面變形嚴重，影響礦井的安全高效生產，因此需對合理區段煤柱進行研究，杜絕在15119 回風順槽及后續工作面出現類似情形。

表1 煤層頂板情況表

2 回采巷道礦壓顯現特征

15#煤層回采巷道采用矩形斷面，支護方式為錨網索梁聯合支護。回風順槽設計寬度4.2 m，高3.5 m，頂板采用Ф22 mm×2400 mm 左旋全螺紋鋼錨桿，間排距1000 mm，幫錨桿規格為Ф20 mm×2200 mm，間排距1000 mm，每側3 根。中部和上部錨桿垂直煤壁施工，下部1 根垂直煤幫與水平方向呈15°夾角施工。頂板及兩幫錨桿均采用樹脂加長錨固方式，頂板每排布置2 根錨索，間排距為2000 mm，長度6.3 m，采用三支樹脂錨固劑端錨。

15117 回風順槽在鄰近的15115 工作面回采期間，超前工作面一定距離及鄰近工作面后方，多處巷道表面明顯變形，主要表現為頂板過度下沉，煤柱側煤幫片幫嚴重，頂底板移近量最大達到1.89 m，兩幫移近量最大達到0.97 m，巷道斷面收縮量已嚴重超出其允許值，無法滿足其生產需求。為掌握支護結構的受力情況及鄰近工作回采動壓對圍巖穩定性的影響，在15117 回風順槽錨桿端部安裝應力傳感器，得到頂板錨桿及煤柱幫錨桿受力變化規律如圖1。由圖1 可以看出，超前鄰近工作面約40 m，頂板及煤柱幫錨桿載荷開始明顯地增大，持續增大至滯后鄰近工作面約60 m，頂板及兩幫錨桿載荷均突然下降，且煤柱幫上部錨桿受力大于中部錨桿，靠近煤柱幫一側的頂板錨桿受力大于實體煤幫一側錨桿的受力，說明鄰近工作面回采引起回風順槽頂板向采空區側下沉，頂板錨桿受力增大，煤柱幫上部錨桿受力增大。滯后鄰近工作面約60 m 時，頂板錨桿及煤柱幫上部錨桿發生脫錨、失效，進一步加劇巷道表面的變形及圍巖的失穩。

圖1 回風順槽錨桿受力圖

3 區段煤柱合理尺寸模擬研究

15117 回風順槽護巷煤柱寬度為18.5 m，根據15117 回風順槽在鄰近工作面采動影響下礦壓顯現規律可知，該煤柱寬度無法有效支承頂板的回轉下沉，煤柱寬度不合理，故采用FLAC3D軟件對合理區段煤柱進行模擬分析研究[1]。為使覆巖破斷運動規律模擬簡潔、真實可靠，所建立模型大小為500 m×180 m×300 m，即推進方向300 m，長度方向500 m，地層總厚180 m，上覆400 m 的巖層等效為上邊界的載荷，以地質勘探儲量核算報告中的巖層分布情況及巖層參數為依據，建立模擬分析所用模型。模型共分為1～26 層，自下而上第8 層為5.75 m 的15#煤層。模型底面為固定支撐，無y 方向（即水平方向）速度、位移，無x 方向速度、位移。模型的物理力學參數按照實驗室測定結果給出，模擬區段煤柱寬度分別為20 m、25 m、30 m、35 m、40 m，模擬方案及模型如圖2。

圖2 數值模型及模擬方案

模擬時首先進行回采巷道及切眼的開挖，然后進行左側工作面的回采，最后進行右側工作面的回采。每次推進10 m，監測左側工作面回采150 m 時，工作面前方20 m 處煤柱內垂直應力，整理得到不同寬度煤柱條件下一次采動影響下煤柱內應力變化規律如圖3（a），其中“0”點代表回風順槽的煤柱幫。右側工作面回采期間，工作面回采150 m 時，截取工作面對應位置煤柱塑性破壞情況，得到二次采動影響下煤柱塑性破壞情況如圖3（b）～（d）。

圖3 數值模擬分析結果

由圖3（a）可以看出，一次采動影響下，區段煤柱內出現應力集中現象，垂直應力呈“M”形分布[2-3]，靠近回采工作面一側應力集中程度高于另一側。煤柱內垂直應力隨著煤柱寬度的減小呈增大趨勢，煤柱寬度由40 m 減小為30 m，應力增幅較小，由30 m 繼續減小為25 m、20 m，煤柱內應力集中程度顯著增大。由此說明，煤柱寬度為30 m 以上時，對于頂板支承效果較好，煤柱寬度小于30 m 時，應力集中程度較高，巷道煤柱幫塑性破壞深度大，不利于巷道圍巖的穩定。根據圖3（b）～（d）可知，二次采動影響下，煤柱寬度為20 m、25 m 時，煤柱全部塑性破壞，基本喪失了對頂板巖層的支承能力，不利于巷道的穩定和工作面的安全生產；煤柱寬度為30 m 時，二次采動影響下，煤柱兩側出現一定深度的塑性破壞，但是煤柱內存在一定寬度的彈性核區[4]，仍具有良好的支承性能。綜合考慮，建議寺家莊礦15#煤層回采工作面區段煤柱最佳寬度為30 m。

4 現場應用及效果分析

15117 運輸順槽與15119 回風順槽采用雙巷掘進，區段煤柱寬度30 m，巷道沿15#煤層底板掘進，巷道布置及頂底板巖層如圖4。為考察區段煤柱的合理性，在15117 工作面回采期間，監測15119 回風順槽礦壓顯現特征及錨索受力情況，整理得到結果如圖5。

圖4 15119 回風順槽綜合柱狀圖

由圖5 可知，一次采動影響下，超前工作面約30 m 時，頂底板及兩幫移近量增速開始加快，表明工作面超前支承壓力影響范圍約為30 m，直至鄰近工作面推進至測點位置，頂底板相對移近量為114 mm，兩幫相對移近量為86 mm，巷道表面變形量微小，不影響其使用功能；超前工作面約20 m 時頂板錨索受力開始明顯地增大，靠近煤柱幫一側的1#錨索受力大于另一側的2#錨索，1#錨索受力最大值為193 kN，頂板錨索極限載荷為240 kN，錨索受力在其合理載荷范圍內。綜上可知，一次采動影響下，15119 回風順槽表面變形量相對于15117 回風順槽顯著減小，留設30 m煤柱能夠有效支撐頂板，保障巷道圍巖穩定性，符合安全生產要求。

圖5 礦壓監測結果

5 結論

寺家莊煤礦15#煤層區段煤柱18～20 m，接替工作面回風順槽在一次采動影響下，巷道表面變形破壞嚴重，錨桿、錨索出現脫錨、破斷失效現象，嚴重影響礦井的安全高效生產。以15117 工作面生產地質條件為基礎，數值模擬研究表明，區段煤柱寬度為30 m 時，煤柱內存在一定寬度的彈性核區，能夠有效支承頂板巖層。現場工業應用期間，15119回風順槽表面變形量微小，錨索受力在其合理載荷范圍內，圍巖整體穩定，說明30 m 的區段煤柱是安全可靠的。