特厚煤層舊采區保護煤柱留設研究

劉興國

（山西煤炭進出口集團左云韓家洼煤業有限公司，山西 大同 037100）

為有效隔絕采空區有害氣體外溢，避免采空區四周側向支承壓力對新的回采巷道圍巖穩定性產生影響，護巷煤柱作為一種傳統而有效的措施被廣泛使用于煤礦生產實際中[1]。眾多開采實踐與研究成果表明，增大護巷煤柱寬度并不能有效防護空區側向支承壓力對巷道的破壞，反而極大浪費煤炭資源。為提高煤炭資源回收率、節約煤炭資源，科學合理確定護巷煤柱寬度成為礦井安全、高效生產的必要課題[2]。我國煤炭科技工作者針對這一問題，進行了大量研究并得出眾多具有積極意義的成果[3-5]。

韓家洼礦22401 工作面為特厚煤層工作面，在工作面回采范圍內具有較多舊采空區，為給出適用于韓家洼礦的采空區護巷煤柱寬度，綜合現有研究成果，采用了理論計算、工程類比與數值模擬方法，綜合確定了22401 特厚煤層綜放工作面護巷煤柱寬度，兼顧煤炭資源高回收率與回采巷道安全應用。

1 工程背景

韓家洼礦為資源整合礦井，井田22 號煤層大量分布小窯破壞區。22401 工作面位于井田西北部，主采22 號煤層，厚度9.2～14.8 m，平均厚度11.6 m。22 煤層有4 層砂質泥巖夾矸，總厚度1.99 m，煤層結構較為復雜，煤層傾角4°～11°，平均傾角6°。工作面采用綜放采煤法，割煤高度為3.0 m，放頂煤高度為8.6 m。工作面直接頂為2.4 m 厚的砂質泥巖，基本頂為13.4 m 厚的細砂巖，如圖1（a）。地面標高1550～1580 m，井下標高1263～1290 m，平均埋深210 m。

依據224 采區設計，22401 工作面停采線前方0～500 m 存在有資源整合前的舊采空區，采區內舊空區長度為45 m，內部共三個長度為140 m 綜放面、兩個寬度為40 m 的區段煤柱，如圖1（b）。為避免舊空區影響22401 工作面回風順槽圍巖穩定性，同時保證煤炭資源回收率，需對22401 回風順槽護巷煤柱寬度進行研究。

圖1 22401 工作面工程地質背景圖

2 理論分析護巷煤柱寬度

結合謝廣祥教授構建的煤柱彈塑性極限平衡受力模型，可得出在靜力學條件下煤柱采空區側與巷道側塑性區與破壞區寬度之和。結合煤柱彈性核理論可知，煤柱塑性區寬度應當小于煤柱整體寬度的66%，否則煤柱極易突變失穩，則可確定穩定的煤柱最小寬度X[6]。

式中：X為煤柱最小穩定寬度，m；x1為回采巷道側塑性區寬度，m；x2為采空區側塑性區寬度，m。

回采巷道側塑性區寬度：

式中：M為巷道高度，取回風順槽掘進高度3.2 m；M1為煤柱高度，取煤層最大厚度14.8 m；β為側壓系數，韓家洼礦地應力實測為0.43；φ0為煤柱內摩擦角，巖石力學實驗測得為25.69°；σymax為煤體抗壓強度，巖石力學實驗測得為21.17 MPa；α為煤層傾角，工作面最大傾角11°；C0為煤體內聚力，巖石力學實驗測得為1.25 MPa；γ0為煤柱平均容重，巖石力學實驗測得為1380 kN/m3；Px為煤柱所受側向約束，回風順槽側煤柱所受側向約束為0.2 MPa，舊空區側煤柱所受側向約束0 MPa。

帶入22401 工作面相關地質工程參數可知，回風順槽側煤柱塑性區寬度為2.45 m，舊空區側煤柱塑性區6.23 m，則可得穩定煤柱的最小寬度為13.15 m。考慮一定富裕系數與安全余量，暫定安全護巷煤柱寬度為18 m。

3 數值模擬計算護巷煤柱寬度

為進一步明確22401 工作面回采引發的采動應力對護巷煤柱穩定性的影響，驗證理論計算護巷煤柱寬度計算合理性，構建三維FLAC3D等比例數值計算模型，如圖2，明晰護巷煤柱內部塑性區分布特征與應力演化規律。模型中以x 軸正方向為22401 工作面推進方向，以y 軸負方向為舊采區推進方向，模擬過程為待模型初始平衡計算完成后，開挖舊采區工作面。由于舊采區形成年代久遠、圍巖運移歷程較長、覆巖結構穩定形成，故模型應當計算收斂；明確舊采區對煤柱內部應力演化塑性區發育影響機制后，初步確定合理護巷煤柱寬度，嚴格按照現場施工流程開挖回風順槽，探究巷道掘進對煤柱穩定性的影響；開挖22401 工作面，研究工作面推進引起的超前支承壓力對煤柱內部塑性區擴展的影響規律，最終確定合理的回風順槽護巷煤柱寬度。

圖2 FLAC3D 數值計算模型

由圖3（a）、（b）可知，當舊采區開挖后，由舊采區開挖擾動引起煤體內部垂直應力重新分布與集中，最大值為18.82 MPa，應力集中系數為3.59，峰值距舊采區煤壁7.0 m；煤體塑性區分布呈現“√”狀分布且集中分布于煤體上部，塑性區最大深度為7.5 m。由圖3 （c）、（d）可知，22401 工作面回風順槽掘進完成后，受順槽掘進擾動影響煤柱內部應力第二次重新分布，在煤柱兩側形成兩個應力集中區域，煤柱舊采區側應力集中最大值為19.63 MPa，應力集中系數為3.74，應力集中區域出現向煤柱內部進一步轉移現象，峰值位置距舊采區煤壁8.0 m，塑性區向煤柱內部發育并集中于煤柱中上部，塑性區分布范圍明顯增大，最大深度為8.5 m；同時煤柱順槽側應力峰值距巷幫2.0 m，峰值為16 MPa，塑性區最大深度出現在巷幫中上部為2.0 m。在22401 工作面推進時，煤柱內部應力出現第三次重新分布。由圖3（e）、（f）可知，煤柱內部應力集中范圍進一步增加，且兩側應力集中范圍相互結合，應力峰值為20.99 MPa，應力集中系數為3.74，塑性區分布范圍進一步增加，且煤柱兩側總塑性區寬度為11.5 m，占煤柱總寬度18 m 的63.9%，小于煤柱失穩閾值66%。

圖3 數值模擬計算結果分析圖

4 結論

結合22401 特厚煤層綜放工作面臨舊采空區回采巷道護巷煤柱寬度設計問題，耦合煤柱彈塑性極限平衡受力與煤柱彈性核理論，得出煤柱巷道側與空區側煤柱寬度為2.74 m、6.23 m，初步確定臨空護巷煤柱合理寬度應當為18 m。構建了FLAC3D三維數值計算模型，得出煤柱內部應力演化的三個階段，并分析了應力演化規律與塑性區分布特征，給出了動力學條件下煤柱寬度為18 m 時，塑性區寬度為11.5 m，小于煤柱失穩的最大容許塑性區寬度。