煤礦資源回收區沿空掘巷窄煤柱尺寸研究

＊劉風錄

（國能榆林能源有限責任公司 陜西 719000）

1.礦井概況

某礦五盤區開采二疊系統下山西組3#煤，煤層厚度0～5.52m，平均4.5m。夾矸一般為一層，位于煤層下部，結構簡單，頂板主要是泥巖、砂質泥巖，次為粉砂巖；底板主要是泥巖、砂質泥巖。煤層結構簡單。煤層傾角1°～5°，平均3°。

2.殘留煤柱開采技術研究

(1)開采方案選擇

五盤區5319、5320和5306工作面殘余煤柱集中范圍約長528m，寬200m。寬度滿足了布置綜采工作面的要求，設計沿空掘巷合理的煤柱寬度，可在此區域布置綜采小工作面開采。

(2)綜采小工作面開采理論分析

上區段工作面回采所留下的采空區，其頂板巖層狀態為一側懸露，另一側固定，當老頂發生初次來壓時，頂板出現了破斷和垮落現象，覆巖發生觸矸現象，部分荷載轉移至采空區破碎矸石和窄煤柱。當本區段工作面的推進時，頂板同樣出現破斷和下沉，一部分覆巖荷載轉移到了前方實體煤上，讓應力得到有效分散。回采過后的覆巖支承壓力分布如圖1所示。

圖1 回采后支承壓力分布

該礦新布置工作面回風巷屬于典型沿空掘巷。沿空掘巷前，由于上區段工作面已經進行了回采，采空區側部分煤體己出現破碎情況，圍巖發育有較多的裂隙。如果將巷道布置在應力降低區內，則有利于沿空掘巷的巷道圍巖的維護與穩定。在本區段工作面回采期間，圍巖應力重新分布，并逐漸向周圍煤巖體內轉移。沿空巷道上覆巖層，在上區段工作面側向支承壓力和本區段工作面超前支承壓力的共同作用下，使得巷道所受荷載增加，變形量增大可達掘進階段的5～6倍以上[1-4]。

(3)小工作面窄煤柱合理寬度確定

使用傳統極限平衡理論計算煤柱寬度，簡化后如圖2所示，既考慮提高錨桿錨固力和支護作用，又要確保煤柱盡可能小，在綜合影響巷道圍巖穩定性的主要因素后，確定了合理煤柱寬度B的計算公式為[5]：

圖2 合理煤柱寬度計算模型

式中，X1為上區段工作面開采后在采空區側煤體中產生的塑性區寬度，其值按公式（2）計算。

式中：m為煤層厚度，m；A為側壓系數；φ0為煤層界面的內摩擦角，（°）；C0為煤層界面的粘結力，MPa；k為應力集中系數；γ為上覆巖層的平均容重，kN/m3；H為巷道埋深，m；Pz為支架對煤幫的支護阻力，在采空區側取值為0；X2為幫錨桿有效長度，結合錨桿支護參數確定；X3為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱寬度富裕量，一般按（X2+X3）值的30%～50%計算。

依據公式（1），求得本礦沿空掘巷窄煤柱寬度的理論值B=2.8+1+（2.8+1）×0.15×（0.35）=4.37m（5.13m），即至少為4.37m。

3.綜采小工作面方案效果模擬分析

根據該礦實際生產地質條件與巷道布置位置關系，建立如圖3所示的沿空掘巷數值計算模型，模型尺寸長×寬×高為400m×180m×48m。模型上部邊界施加等同于上覆巖層重量的載荷，底邊界和左右邊界固定，煤巖層力學參數如表1所示。

圖3 沿空掘巷數值計算模型

表1 頂底板巖體力學特性

考慮到采空區透水問題，在一定安全系數的情況下，巷道圍巖應力系數不宜超過2.5，同時需滿足巷道布置在側向支承應力降低區，基于理論計算結果制定不同煤柱寬度留設方案見表2，在保證合適支護條件和相同圍巖力學參數條件下，僅模擬煤柱穩定性與巷道變形收窄煤柱寬度的影響。

表2 煤柱寬度選取方案

(1)掘進期巷道應力分布情況分析

巷道掘進期間不同煤柱寬度下垂直應力分布規律如圖4所示，應力集中系數如表3所示。

圖4 掘進期間不同寬度煤柱下巷道圍巖垂直應力云圖

表3 掘進時期的應力集中系數

4m、5m和6m煤柱最大支承壓力分別為17MPa、25MPa和30MPa，煤柱右側工作面支撐應力峰值均為58MPa，可知煤柱支承壓力隨煤柱的寬度增加逐漸增大。而對于18m、19m和20m，在煤柱側所承受的支承壓力峰值均為60MPa，巷道右側工作面應力峰值呈現的趨勢為隨煤柱尺寸增加逐漸減小趨于原巖應力。

對塑性區進行分析，如圖5掘進時期不同煤柱塑性區分布圖。

圖5 掘進期間不同煤柱塑性區分布圖

由圖5可知，留設4m、5m和6m煤柱時掘進新巷，煤柱受壓明顯，巷道兩幫均出現明顯的張拉破壞，其中5m和6m的巷道變形嚴重，且剪切破壞影響范圍較大，而4m煤柱的巷道影響范圍較小，證明沿空掘巷的可行性。當留設煤柱為18m、19m和20m，巷道兩幫破壞影響半徑較小，煤柱的塑性影響寬度也較窄，說明隨著煤柱尺寸的增大巷道破壞影響逐漸減小。

(2)回采期間巷道應力分布情況分析

在綜采小工作面回采期間，如圖6所示為不同煤柱留設寬度下的垂直應力分布情況，應力集中系數如表4所示。

圖6 回采期間不同寬度煤柱下巷道圍巖垂直應力云圖

表4 回采時期應力集中系數

綜采小工作面回采時，支承壓力峰值區域為工作面前方8m位置，因此在巷道超前8m處布置應力監測點，得出4m、5m和6m煤柱下的最大支承壓力為21MPa、28MPa和30MPa，可見受回采時的超前支承應力影響下煤柱所受支承載荷略有增加，在工作面側的應力峰值均為92MPa，受回采時的超前應力影響支承應力增加約34MPa。當留設寬度為18m、19m和20m時煤柱側的應力峰值為60MPa，工作面側應力峰值隨煤柱寬度的增加均逐漸減小。

對塑性區進行分析，如圖7回采期間不同煤柱塑性區分布規律。

圖7 回采期間不同煤柱塑性區分布圖

由圖7可知，在回采期間，4m、5m和6m煤柱在工作面超前8m處，煤柱受壓明顯，巷道兩幫均出現強烈的張拉破壞，其中5m和6m的巷道變形嚴重，且剪切破壞影響范圍較大，而4m煤柱的巷道影響范圍較小，但較掘進時期塑性影響范圍有所增加，對于18m、19m和20m方案，巷道兩幫破壞影響半徑較小，煤柱的塑性影響寬度也較窄，說明隨著煤柱尺寸的增大巷道破壞影響逐漸減小。

分析不同尺寸煤柱下巷道掘進時期與回采時期的應力集中系數可以發現：掘進時期留設4m、5m和6m煤柱的巷道上覆圍巖最大應力集中系數均約為2，在18m，19m和20m煤柱巷道上覆巖層的最大應力集中系數均小于1.5，滿足掘進安全需求。回采時期留設6m和18m的煤柱巷道上覆巖層最大應力集中系數大于2.5，對巷道安全生產有較大的影響，不建議采用。而對于4m和5m雖煤柱圍巖的應力集中系數較小，但考慮到采空區透水問題，也不建議采用。19m和20m煤柱圍巖避開了上區段采空區垮落形成的應力峰值，圍巖應力集中系數減小，且較寬的煤柱阻擋采空區透水，故留設19m以上的煤柱寬度皆可適用于生產。且煤柱尺寸為19m時，綜采小工作面下區段巷道超前7m處5306保護煤柱存在12m的彈性核區，確保了5306采空區積水不會影響到綜采小工作面的生產。最終確定以19m煤柱為沿空掘巷的煤柱留設方案，設計采煤面積77990m2，開采儲量50萬噸。

4.結論

本文以某礦5盤區5319、5320工作面回采完畢后殘余煤柱回收作為工程背景，采用理論分析和計算、數值模擬等相結合的研究方法，分析研究了在大面積殘余煤柱布置綜采小工作面回收煤柱的技術難點，主要有以下結論。

（1）通過理論分析、理論計算以及結合現場工程條件，確定了5盤區5319和5320工作面殘余煤柱回收使用布置綜采小工作面工藝，分析了采空區側的礦壓顯現特點，并且給出了沿空掘巷所需窄煤柱寬度的理論計算值。

（2）采用FLAC3D模擬軟件建立了5盤區工作面的回采模型，模擬了在5320工作面上下區段工作面回采后，進行沿空掘巷過程中窄煤柱合理寬度的選擇。分析模擬方案表明，在窄煤柱寬度為19m時，既保證了圍巖應力集中系數較小，又能阻擋上下區段采空區積水，滿足安全生產需求。