郭家河煤礦區段煤柱合理寬度的確定與圍巖控制研究

劉天文

（陜西郭家河煤業有限責任公司，陜西 寶雞 721500）

煤柱的留設一直是煤礦設計人員關心的話題，其寬度設計影響著工作面順利接續和礦壓控制效果[1-4]。郭家河煤礦為得出2308 工作面與1309 采空區之間留有的合適煤柱寬度，采用理論計算、數值模擬及現場監測等手段來進行了確定。

1 工程背景

郭家河煤礦已完成1301～1309 工作面回采，接續工作面為Ⅱ盤區2308 工作面，煤層厚16 m，埋深約800 m。巷道頂板上覆巖層主要由中粒砂巖、細粒砂巖及泥巖組成，厚度分別為16 m、5.14 m、4.86 m，底板主要由泥巖和砂質泥巖組成，厚度約3.5 m、6.51 m。現場工作面布置示意圖如圖1。巷道頂底板煤巖體物理力學參數見表1。

表1 巷道巖層及煤的物理力學參數

圖1 工作面布置示意圖

2 煤柱尺寸的確定

根據文獻[5]可知，工作面一側采空時區段煤柱塑性區的寬度為：

煤柱在兩側邊緣除去塑性區寬度還要一部分煤柱處于彈性應力狀態，一般定義該寬度為1～2 倍的開采煤層采高，計算公式為：

式中：X0為一側采空時煤柱塑性區的寬度，m；B為煤柱合理寬度，m；M為煤層開采厚度，M=16 m；K為應力集中系數，K=2.0；γ為采場上覆巖層的平均容重，γ=2.5 kN/m3；h為煤層埋藏深度，h=800 m；C為煤的黏聚力，C=0.98 MPa；φ為煤的內摩擦角，φ=30°；f為煤層與頂底板接觸面的摩擦系數，f= 0.8；pi為支架對煤幫的阻力，忽略不計；ξ為三軸應力系數，ξ=（1+sinφ）/（1-sinφ）。

根據煤礦實際開采條件，可計算出一側采空時煤柱塑性區的寬度X0=8.25 m，即煤柱合理寬度B=32.5～48.5 m。

3 數值模擬分析

通過理論計算得到合適煤柱寬度為32.5～48.5 m，取煤柱寬度32 m、36 m、40 m、44 m 進行對比分析，進而確定2308 工作面與1309 采空區之間具體煤柱寬度。

3.1 數值模型的建立

建立FLAC3D數值計算模型，考慮到模型邊界效應及計算速度，確定數值計算模型邊長為x×y×z=800 m×400 m×200 m，數值模型如圖2。模型中模擬煤巖體采用摩爾-庫侖本構模型，模型四周及底面全部施加位移約束，計算模型頂部施加應力邊界。經計算，模型頂面需施加均布垂直荷載17.5 MPa，水平方向施加梯形演化荷載為垂直應力的0.7 倍。

圖2 數值計算模型示意圖

3.2 不同煤柱寬度下應力及塑性區分析

為了更好地獲得不同煤柱寬度下應力演化規律，工作面沿y方向推采時，選取典型狀態（y=200）進行切片處理。經Tecplot 軟件提取應力值，Surfer軟件可視化處理后得到不同煤柱寬度下采動應力云圖如圖3，煤柱塑性區示意圖如圖4。

圖3 不同煤柱寬度下應力云圖

圖4 不同煤柱寬度下塑性區示意圖

分析圖3、圖4 可知：當煤柱寬32 m、36 m、40 m、44 m 時，煤柱應力值分別達到32.2 MPa、38.1 MPa、34.4 MPa、32.74 MPa。煤柱應力值隨煤柱寬度的增加呈先增大后減小趨勢，應力集中系數分別達到1.61、1.9、1.72、1.64。煤柱寬32 m 時，雖然巷道圍巖產生塑性區破壞與工作面開采所產生的塑性區破壞相互貫通并連接成一個整體，但存在一定的彈性區域，說明在此煤柱寬度下，具有一定的承載能力。隨著煤柱寬度的增加，承載能力逐漸提高，煤柱的應力值逐漸增大。當煤柱寬36 m 時，煤柱應力值達到最大，呈單峰狀，沖擊風險較大。當煤柱寬40 m、44 m 時，煤柱應力值隨煤柱寬度的增加逐漸減小，呈雙峰狀，且存在一定的彈性區域，兩者的應力值相差1.7 MPa。因此從煤炭資源回收率來講，選擇32 m 寬煤柱是合適的。但郭家河煤層厚16 m，采用綜采放頂煤工藝進行開采，同時需兼顧防治水與瓦斯災害防治，若留設煤柱寬度較小，則存在一定的危險性，因此，選擇32 m 寬煤柱是不合適的。36 m 寬度的煤柱，雖然能滿足要求，但煤柱應力值達到最大，從防沖角度出發，也是不合適的。因此，郭家河煤礦Ⅱ盤區煤柱設計寬度應為40 m。從數值模擬結果看，40 m 煤柱應力呈雙峰分布，應力峰值與應力集中系數隨著煤柱寬度的加大降低很小，選擇該煤柱寬度可以滿足郭家河煤礦安全開采條件，能滿足防沖煤柱留設要求。

4 工程實踐

現場選擇煤柱寬度40 m 后，2308 工作面運輸巷斷面尺寸為凈寬5.8 m，凈高3.9 m。巷道支護采用錨網索帶聯合支護，其中頂板采用全錨索支護，頂板短錨索使用Φ21.8 mm×4300 mm 鋼絞線，間排距為900 mm×850 mm；長錨索使用Φ21.8 mm×8300 mm 長鋼絞線，每排3 根，間排距為1600 mm×1700 mm；幫部錨桿間排距為 900 mm×850 mm。錨桿施加預緊力為80 kN，錨索施加預緊力為180 kN。巷道斷面及支護設計如圖5。

圖5 巷道支護示意圖（mm）

巷道圍巖變形具有明顯的階段特征。0～45 d 內巷道表面位移量處于急速變形階段，其間巷道變形量及變形速度較大；45～60 d 內巷道表面位移量處于緩慢變形階段，其間巷道變形量及變形速度呈現緩慢增加趨勢；60 d 后巷道表面位移量處于穩定階段，基本保持平穩。巷道頂板、底板、左幫及右幫最大位移量分別達到78 mm、65 mm、103 mm、92 mm，巷道圍巖變形量得到有效控制，如圖6。

圖6 巷道圍巖變形量示意圖

5 結論

1）通過理論計算得出，一側采空時煤柱塑性區的寬度X0=8.25 m，1309 采空區與2308 工作面留有合理的煤柱寬度為32.5～48.5 m。

2）通過數值模擬得出，煤柱應力值隨煤柱寬度的增加呈先增大后減小趨勢。當煤柱寬度為36 m時，煤柱應力值達到最大，呈單峰狀，沖擊風險較大；當煤柱寬度為40 m、44 m 時，煤柱應力值隨煤柱寬度的增加逐漸減小，呈雙峰狀，且存在一定的彈性區域。考慮到郭家河煤礦實際的地質條件，合適的煤柱寬度確定為40 m。

3）巷道圍巖變形具有明顯的階段特征，可分為急速變形、緩慢變形、趨于穩定3 個階段。圍巖變形量在60 d 左右趨近于穩定，巷道頂板、底板、左幫及右幫最大位移量分別達到78 mm、65 mm、103 mm、92 mm，圍巖變形得到有效控制。