小保當煤礦保護煤柱尺寸的研究

何 沐

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京100120）

1 概述

小保當一號井設計生產能力1500 萬t/a，主要可采煤層2-2 煤，屬近水平煤層，煤層厚度平均6.0 m，煤層傾角平均1°，埋深平均350m, 工作面長度350m，順槽長度6000m 左右，采煤方法為一次采全高。112201 工作面是小保當一號井的首采面，兩側均為實體煤，巷道與2-2 煤西翼回風大巷相連，112201工作面布置四條順槽巷道，膠運順槽、輔運順槽和兩條回風順槽，巷道尺寸為6.0×4.4m,大巷及工作面布置圖見圖1。

圖1 小保當煤礦巷道及回采工作面布置圖

小保當煤礦由于工作面采用雙U 通風方式，在回采巷道間存在保護煤柱，煤柱的大小直接影響了大斷面巷道的支護參數，因此需要提前確定回采巷道的煤柱尺寸，并且巷道尺寸較大，為了提高煤炭回采率，確保工作回采期間巷道的安全，需要合理的確定回采巷道之間的保護煤柱，以及回采巷道的支護方式，為以后巷道的支護提供合理的參考依據[1,2]。

2 煤柱尺寸理論計算

通過分析可知，最小的煤柱寬度應該是由煤柱的兩側的塑性區(qū)加上中部的核心區(qū)寬度，用公式（1）表達為：

式中：B 為區(qū)段煤柱寬度，m；x1和x3分別為煤柱兩側的塑性區(qū)寬度，m；x2為核區(qū)寬度，m。

采空區(qū)一側的塑性寬度我們有相應的計算公式，因此在另一側的塑性區(qū)寬度計算公式可以表示為：

式中：m 為煤層的開采厚度；φ 為煤層的內摩擦角；d 為開采擾動因子，d=1.5～3.0；C 為煤層的粘聚力；σ1為煤柱極限強度；σx為煤壁的側向約束應力；

β 為塑性區(qū)與核區(qū)界面處的側壓系數。[3,4]

圖2 合理煤柱寬度計算簡圖

根據對小保當一號井2-2 煤的特點分析和性能測試，根據相關成果，巷道高度取4.2m，采高定為5.95m，選取塑性區(qū)寬度計算的其他參數見表1。

按巷道高度計算得區(qū)段煤柱寬度B＝18.68m。

按采高計算得區(qū)段煤柱寬度B＝24.17m。

因此，合理的煤柱范圍為18.68～24.17m。

表1 計算參數選取表

3 煤柱應力分布規(guī)律數值模擬分析

3.1 數值模型

模型以小保當煤礦2-2 煤層條件為依據，模型尺寸為517m×350m×180m（如圖3 所示）。

圖3 數值模擬模型

為了研究留設不同煤柱寬度時，巷道狀態(tài)，本次試驗建立了3 個不同尺寸的煤柱模型。依次為112201 大采高綜采面2 個2-2 煤回風順槽之間留設15m、20m、25m 煤柱，右側2-2 煤回風順槽為留巷。

圖4 給出了煤層所在平面的工作面布置概況。圖4 中112201 大采高綜采面2 個2-2 煤回風順槽之間的煤柱分別為15m、20m、25m；左邊2-2 煤回風順槽左側為112201 工作面，約175m；右邊2-2 煤回風順槽右側為實體煤，寬度分別為315m、310m、305m。

工作面回采后，可以假定采空區(qū)的位移以工作面的中心為對稱軸，因此左側邊界取半個工作面寬度，以便施加固定位移邊界條件。本小節(jié)選擇圖4（a）中的A-A 截面作為研究對象。A-A 截面在模型中與X軸平行，坐標為Z=27，與工作面起始位置的距離為175m，可以避免工作面后方實體煤的影響。該位置的應力分布可以代表整個工作面大部分范圍的受力狀況。圖中-160m 表示112201 工作面距離A-A 截面處為160m，A-A 截面尚未開采；5m 表示112201 工作面已經采過A-A 截面5m，處于采空區(qū)內部5m，其余圖例中數字的意義可類推。112201 工作面對應的X軸坐標范圍為0-175，左側膠運順槽對應的X 軸坐標范圍為175-181，護巷煤柱對應的X 軸坐標范圍為181-196，右側輔運順槽對應的X 軸坐標范圍為196-202。

圖4 煤層平面工作面布置圖

3.2 15m 煤柱時工作面回采過程中煤層中部垂直應力分布

模擬了煤柱寬度15m 時112201 工作面回采過程中，A-A 截面處的垂直應力變化過程，從圖5 可以看到112201 工作面與A-A 截面距離為160m 時，A-A 截面處的垂直應力大致和原巖垂直應力相當，這說明在采煤工作面前方160m 以外區(qū)域，工作面的采動影響可以忽略不計。當距離為70m 時，A-A 截面處已經進入112201 工作面超前應力影響范圍，但超前應力值不高，僅超出原巖應力3.42MPa 左右。當距離為10m 時，A-A 截面處超前應力達到最大。當112201 工作面回采經過A-A 截面時，采煤工作面對應位置垂直應力開始下降，煤柱對應位置垂直應力明顯上升。當A-A 截面滯后工作面35m 時，A-A 截面上工作面對應位置成為采空區(qū)，垂直應力急劇降低，工作面中心應力為2.25MPa，右側煤柱垂直應力大幅度上升，其中煤柱最高應力達到38.04MPa；當滯后距離為65m 時，A-A 截面上對應的采空區(qū)垂直應力上升，在112201 工作面中心應力達到2.94MPa，這說明采空區(qū)冒落體正在經歷應變-硬化過程，右側煤柱垂直應力繼續(xù)上升；此后，這一趨勢一直持續(xù)到滯后距離大約125m，A-A 截面的垂直應力基本穩(wěn)定下來，采空區(qū)最高應力達到4.43MPa，大約相當47.3%的原巖應力水平，煤柱應力達到20.6MPa，大約相當220%的原巖應力水平。

圖5 15m 煤柱時A-A 截面處垂直應力分布與工作面距離關系

3.3 20m 煤柱時工作面回采過程中煤層中部垂直應力分布

圖6 所示為煤柱寬度20m 時，112201 工作面回采過程中，A-A 截面處的垂直應力變化過程。由圖可知1 當距離為70m 時，A-A 截面處已經進入112201工作面超前應力影響范圍，但超前應力值不高，僅超出原巖應力2.84MPa 左右。當距離為10m 時，A-A 截面處超前應力達到最大，超前應力最大值為16.15MPa，超出原巖應力約6.78MPa，最大值出現在距護巷煤柱左側約9m 位置。

當112201 工作面回采經過A-A 截面時，采煤工作面對應位置垂直應力開始下降，煤柱對應位置垂直應力明顯上升。當A-A 截面滯后工作面35m 時，A-A 截面上工作面對應位置成為采空區(qū)，垂直應力急劇降低，工作面中心應力為2.27MPa，右側煤柱垂直應力大幅度上升，其中煤柱最高應力達到28.62MPa；當滯后距離為65m 時，A-A 截面上對應的采空區(qū)垂直應力上升，在112201 工作面中心應力達到2.97MPa，這說明采空區(qū)冒落體正在經歷應變-硬化過程，右側煤柱垂直應力繼續(xù)上升；此后，這一趨勢一直持續(xù)到滯后距離大約155m，A-A 截面采空區(qū)最高應力達到5.24MPa，大約相當55.9%的原巖應力水平，煤柱應力達到35.14MPa，大約相當375%的原巖應力水平。

圖6 20m 煤柱時A-A 截面處垂直應力分布與工作面距離關系

3.4 25m 煤柱時工作面回采過程中煤層中部垂直應力分布

圖7 所示為煤柱寬度25m 時，112201 工作面回采過程中，A-A 截面處的垂直應力變化過程。由圖可知當距離為40m 時，A-A 截面處已經進入112201 工作面超前應力影響范圍，但超前應力值不高，僅超出原巖應力3.78MPa 左右。當距離為10m 時，A-A 截面處超前應力達到最大，超前應力最大值為15.66MPa，超出原巖應力約6.29MPa，最大值出現在距護巷煤柱左側約9m 位置。

當112201 工作面回采經過A-A 截面時，采煤工作面對應位置垂直應力開始下降，煤柱對應位置垂直應力明顯上升。當A-A 截面滯后工作面5m時，A-A 截面上工作面對應位置成為采空區(qū)，垂直應力急劇降低，工作面中心應力為1.01MPa，右側煤柱垂直應力大幅度上升，其中煤柱最高應力達到18.00MPa；當滯后距離為35m 時，A-A 截面上對應的采空區(qū)垂直應力上升，在112201 工作面中心應力達到2.10MPa，這說明采空區(qū)冒落體正在經歷應變- 硬化過程，右側煤柱垂直應力繼續(xù)上升；此后，這一趨勢一直持續(xù)到滯后距離大約155mm，A-A 截面采空區(qū)最高應力達到4.61MPa，大約相當49.2%的原巖應力水平，煤柱應力達到34.24MPa，大約相當365%的原巖應力水平。

圖7 25m 煤柱時A-A 截面處垂直應力分布與工作面距離關系

4 煤柱尺寸合理范圍

對現場的條件進行分析后，采用采礦工程設計手冊計算出的煤柱尺寸明顯偏大，通過采用安全系數法和極限平衡理論兩種思路分析護巷煤柱范圍為18.68～24.17m[6]，同前文的數值模擬可以看出，我們分別模擬了15m 煤柱，20m 煤柱，25m 煤柱的應力分布特點，同時對應各煤柱中的彈塑性區(qū)分布進行了分析，可以看出，20m 煤柱時，煤柱中間具有一定的彈性區(qū)，具有一定的富裕支護強度，同時結合周圍礦井的開采實例，小保當煤柱的運輸巷和軌道巷的煤柱尺寸按照20m 進行留設。

需要指出的是，對于輔運巷這種二次復用巷道普遍存在巷道底鼓問題，因此，在復用之前一般都要進行起底處理[8]。另外，二次動壓巷道的穩(wěn)定性與煤柱尺寸和巷道的支護形式都密切相關。因此煤柱尺寸的優(yōu)化和二次動壓巷道支護技術的研究同等重要[7]。

通過數值模擬分析，在隨著煤柱寬度增加，A-A煤柱區(qū)域應力顯示降低趨勢，但20m 和25m 煤柱的應力最大值相似，煤柱中間均出現彈性區(qū)，具有一定的富裕支護強度[9]，同時結合周圍礦井的開采實例和理論分析，綜合確定小保當煤柱的運輸巷和軌道巷的煤柱尺寸按照20m 進行留設。