厚煤層綜放首采工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度研究

＊郭寶林

（山西正誠礦山安全技術(shù)研究所（有限公司）山西 030006）

區(qū)段煤柱只有滿足一定的尺寸（寬度）才能保持穩(wěn)定，區(qū)段煤柱穩(wěn)定性和合理尺寸是互為基礎(chǔ)、互相依存的：就本質(zhì)（內(nèi)容）和表現(xiàn)（形式）來說，穩(wěn)定性是基礎(chǔ)、本質(zhì)，合理尺寸是表現(xiàn)（形式）；就目標(biāo)（結(jié)果）和手段（過程）來講，合理尺寸是所求的最終目標(biāo)（結(jié)果），而穩(wěn)定性研究是手段（過程）[1-3]。煤柱的尺寸大小直接關(guān)系到煤礦的采煤效率和資源利用率。合理的煤柱尺寸可以最大限度地利用煤礦資源，減少煤炭的浪費(fèi)和損失。通過設(shè)計(jì)合理的護(hù)巷煤柱尺寸，可以減少煤柱消耗和支護(hù)成本，并提高采煤工作的效率，從而提高煤礦的產(chǎn)能和經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。合理的工作面區(qū)段護(hù)巷煤柱尺寸可以確保煤柱具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠承受來自上部巖層的載荷和壓力，從而避免煤柱失穩(wěn)或坍塌引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，有助于保護(hù)工作面人員的生命安全和減少事故發(fā)生的概率。

1.工作面概況

2314工作面煤層厚度并不均勻，呈現(xiàn)中間薄，切眼及停采線兩端厚的特點(diǎn)，其平均厚度為4.7m。工作面傾斜長度為154.7m，走向長度為795.8m。綜合巷道掘進(jìn)及地質(zhì)勘探等情況，煤層接近水平，最大傾角為8.5°，傾角平均3°。

2.區(qū)段煤柱寬度理論計(jì)算

區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的寬度B為：

（1）區(qū)段煤柱塑性變形區(qū)寬度。建立如圖1所示的力學(xué)模型，x1、x0分別為區(qū)段煤柱下側(cè)和上側(cè)的塑性區(qū)寬度，求解見式（2）和式（3）。

圖1 區(qū)段煤柱塑性變形區(qū)寬度計(jì)算力學(xué)模型

式中，m—保護(hù)煤柱高度；C0—黏聚力；H—埋深；φ0—內(nèi)摩擦角；K、K＇—彈性核與頂?shù)装褰缑嫦?、上部塑性區(qū)與彈性核交界面上的應(yīng)力集中系數(shù)；γ—覆巖平均容重；λ—側(cè)壓系數(shù)。

（2）區(qū)段煤柱彈性核破壞臨界寬度。建立如圖2所示的力學(xué)模型，求解區(qū)段煤柱彈性核破壞臨界寬度L1，見式（4），式中，L1—彈性核破壞臨界寬度。

圖2 區(qū)段煤柱彈性核臨界破壞寬度計(jì)算力學(xué)模型

（3）區(qū)段煤柱寬度確定。用公式（1）確定區(qū)段煤柱尺寸，存在一定的弊端，在實(shí)際回采過程中，動(dòng)壓、時(shí)間及掘進(jìn)過程等也對煤柱的穩(wěn)定性有明顯影響[6-9]，而目前只考慮了靜態(tài)載荷因素，與實(shí)際情況明顯不符，故需要對該公式進(jìn)行修正，修正后的公式如下：

式中，d—擾動(dòng)因子；α—掘進(jìn)因子。

礦井煤、巖層參數(shù)按表1選取。計(jì)算得x0=2.30m，x1=4.83m，L1=5.5m，B1≥19.40m。綜上，實(shí)際留設(shè)時(shí)考慮煤柱尺寸大于等于19.40m。

表1 礦井煤、巖層參數(shù)

3.煤柱應(yīng)力現(xiàn)場實(shí)測

為監(jiān)測煤柱實(shí)際受力情況，需對其受力進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，其測點(diǎn)布置見圖3，測點(diǎn)位置的選取考慮了工作面的實(shí)際情況，在23142巷距切眼515m處實(shí)體煤內(nèi)布置鉆孔應(yīng)力計(jì)。此外測站布置在煤層厚度中部，正對采空區(qū)方向的23142巷距切眼515m處實(shí)體煤內(nèi)。由23142巷道向23142措施巷方向鉆孔間距依次為7m、8m、8m、8m、8m，依次編為1#～5#，采用規(guī)定型號鉆孔應(yīng)力計(jì)對煤柱進(jìn)行煤體應(yīng)力監(jiān)測[10]。具體測站布置參數(shù)見表2。

表2 測站布置參數(shù)表

圖3 鉆孔布置方案示意圖

應(yīng)力計(jì)安裝后距離工作面60m時(shí)開始監(jiān)測數(shù)據(jù)。由于初始階段應(yīng)力計(jì)與鉆孔圍巖相互作用，其監(jiān)測值不斷波動(dòng)，因此取各測點(diǎn)距工作面50m時(shí)的數(shù)據(jù)開始分析，直到剩余煤體（煤柱）寬度為20m工作面停采撤架時(shí)結(jié)束，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 各測點(diǎn)應(yīng)力隨工作面推進(jìn)距離變化規(guī)律

由圖4可知，各測點(diǎn)距工作面50～30m過程中，剩余煤體（煤柱）應(yīng)力監(jiān)測值緩慢上升，且上升速率緩慢增大；1#測點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測值全程僅有少量上升，這表明3m深度位置全程處于塑性破壞區(qū)；2#測點(diǎn)距工作面30m至停采的過程中，應(yīng)力監(jiān)測值快速上升，但應(yīng)力峰值顯著較位于煤體深處的3#、4#和5#測點(diǎn)小，這表明在工作面推進(jìn)過程中，剩余煤體（煤柱）寬度不斷減小，其受力不斷增大，導(dǎo)致塑性破壞范圍不斷增大，深度5m處的2#測點(diǎn)在此過程中由彈性核區(qū)逐漸向塑性破壞區(qū)過渡；3#、4#和5#測點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測值變化規(guī)律基本相同，應(yīng)力峰值較高（達(dá)到28.5MPa左右）且相近，這表明深度7m、9m和11m位置全程處于彈性核區(qū)內(nèi)。對停采撤架時(shí)煤柱應(yīng)力狀態(tài)作圖分析，得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 停采時(shí)剩余煤體（煤柱）沿寬度方向應(yīng)力分布

由圖5可知，煤柱寬度剩余20m時(shí)，應(yīng)力分布呈馬鞍形，綜合礦壓理論可知煤柱內(nèi)部依然保持穩(wěn)定。本次現(xiàn)場監(jiān)測表明，煤柱應(yīng)力隨工作面推進(jìn)不斷增大，距離工作面25m左右時(shí)增速明顯提高，距測點(diǎn)9～14m時(shí)達(dá)到峰值；剩余煤體（煤柱）在寬度減小至20m時(shí)仍未發(fā)生失穩(wěn)，仍然具有很好的自承能力。

4.煤柱寬度數(shù)值模擬

在23142巷以北，存在JDX6陷落柱。為繞過JDX6陷落柱，正對采空區(qū)方向的23142巷形成了刀把型巷道，將這段煤巷布置在2314綜放面的前方。隨著工作面逐漸向煤巷推進(jìn)，煤柱寬度也逐漸變小。為了研究剩余的20m、19m、18m、17m煤柱的塑性區(qū)和垂直壓力分布，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，得到煤柱應(yīng)力分布和煤柱塑性區(qū)分布分別如圖6和圖7所示。

圖6 煤柱應(yīng)力分布圖

圖7 煤柱塑性區(qū)分布圖

由圖6（a）～（c）和圖7（a）～（c）分析可知，隨著2314工作面逐漸推進(jìn)，當(dāng)回采工作面與前方的23142巷道間剩余20m、19m、18m區(qū)段煤柱時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值達(dá)30MPa以上，核區(qū)率大于65%，能保證其穩(wěn)定性。而通過分析圖6（d）和圖7（d）可知，當(dāng)剩余17m區(qū)段煤柱時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值達(dá)到了34MPa，煤柱只有10m的核區(qū)，核區(qū)率為58.8%，容易發(fā)生失穩(wěn)。因此，根據(jù)研究結(jié)果，建議將礦井3#煤層區(qū)段煤柱的合理寬度設(shè)定為不少于18m。

由此可見，通過理論計(jì)算、現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬研究這三種手段對區(qū)段煤柱合理尺寸進(jìn)行分析，表明合理的區(qū)段煤柱尺寸不應(yīng)小于20m。同時(shí)參考其它盤區(qū)的回采經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相鄰工作面回采時(shí)受到動(dòng)壓等的影響，選取1.5的動(dòng)壓影響系數(shù)，確定西盤區(qū)工作面區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸為30m。

5.結(jié)語

（1）引進(jìn)擾動(dòng)因子和掘進(jìn)因子，修正了區(qū)段煤柱寬度理論計(jì)算公式，利用修正后的公式確定出區(qū)段煤柱合理尺寸應(yīng)大于等于19.40m。

（2）綜合煤柱寬度合理值彈性核理論計(jì)算法、現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬等手段，并考慮臨近面回采的疊加影響以及3#煤強(qiáng)度低等因素，確定西盤區(qū)首采工作面區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸為30m。