龍華煤礦淺埋煤層區(qū)段煤柱合理寬度研究

齊曉華，王力，王冬冬，李彥云

（陜西煤業(yè)化工集團(tuán)孫家岔龍華礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300）

0 引言

陜北礦區(qū)煤炭資源儲量巨大，是我國煤炭重點(diǎn)開發(fā)基地，促進(jìn)了地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。然而淺埋煤層工作面快速推進(jìn)引起劇烈的礦壓顯現(xiàn)問題，對安全高效開采提出了更高的要求[1-3]。目前，相鄰工作面間留設(shè)區(qū)段煤柱以保障接續(xù)工作面安全回采。區(qū)段煤柱留設(shè)寬度過大將造成煤炭資源的浪費(fèi)，留設(shè)寬度較小又難以維護(hù)回采巷道的穩(wěn)定，因此，研究區(qū)段煤柱留設(shè)寬度的合理性對礦井安全高效開采具有重要的研究意義和實(shí)踐價(jià)值[4-5]。

我國學(xué)者對淺埋煤層區(qū)段煤柱合理寬度留設(shè)進(jìn)行了大量研究。黃慶享等[6]以檸條塔礦為工程背景，采用物理模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬揭示了采動影響下不同寬度和留設(shè)形式的區(qū)段煤柱應(yīng)力演化和塑性區(qū)分布特征；張斌等[7]通過建立力學(xué)模型對淺埋煤層長壁開采4 種不同寬度的區(qū)段煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算，得到其不同的失穩(wěn)系數(shù)；楊俊哲等[8]對布爾臺礦采動影響下不同寬度煤柱的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律及圍巖塑性區(qū)分布特征進(jìn)行了研究，確定了區(qū)段煤柱的合理尺寸；胡大沖等[9]對楊家村煤礦寬、窄條件下煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行研究，確定了工作面的合理區(qū)段煤柱尺寸，提高了礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益；陳學(xué)華等[10]對不同煤柱寬度的塑性區(qū)演化及應(yīng)力場分布進(jìn)行對比分析，結(jié)合現(xiàn)場圍巖變形規(guī)律及相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征，得到了區(qū)段煤柱的留設(shè)尺寸；張立生等[11]采用UDEC 軟件模擬了高家梁煤礦不同寬度下區(qū)段煤柱圍巖穩(wěn)定性及應(yīng)力演化規(guī)律，確定了煤柱尺寸，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

目前，龍華煤礦3-1煤層區(qū)段煤柱留設(shè)依據(jù)陜北礦區(qū)淺埋煤層開采所得經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際回采過程中并未發(fā)生采場明顯底鼓、片幫及頂板大范圍下沉等現(xiàn)象，因此，認(rèn)為該礦井區(qū)段煤柱寬度具有一定的優(yōu)化空間，以達(dá)到安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。本文以龍華煤礦30203 工作面為研究背景，通過現(xiàn)場實(shí)測及理論分析，得出煤柱留設(shè)寬度的合理值，并采用UDEC 數(shù)值模擬分析不同寬度煤柱塑性區(qū)分布特征，確定合理煤柱留設(shè)尺寸。

1 概況

龍華煤礦位于陜西省神木市孫家岔鎮(zhèn)境內(nèi)，是典型的厚風(fēng)積沙淺埋煤層。30203 工作面屬302 盤區(qū)，走向長2 728 m，傾向長295 m，傾角0～3°，平均1°，埋深100 m，煤層厚度2.35～5.27 m，平均3.88 m。北部為井田邊界，西部為30204 工作面，東部為30202 工作面，南部為3-1煤大巷保安煤柱，30203 工作面與30204 工作面之間區(qū)段煤柱寬度為20 m。頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 30203 工作面頂?shù)装逡挥[Table 1 Roof and floor of No.30203 Face

2 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性實(shí)測分析

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測方案

為了研究區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性，以龍華煤礦30203 工作面區(qū)段煤柱為研究對象，分別在30203工作面膠運(yùn)順槽和輔運(yùn)順槽進(jìn)行煤柱應(yīng)力及巷道圍巖變形監(jiān)測。隨著工作面位置與超前支承壓力影響范圍之間的關(guān)系，可為30203 工作面區(qū)段煤柱尺寸優(yōu)化提供依據(jù)。

本次監(jiān)測共分兩個區(qū)段，一區(qū)段為膠運(yùn)順槽距切眼420 m 處，二區(qū)段為輔運(yùn)順槽距切眼100 m處。兩區(qū)段布置方案一致，均在煤柱側(cè)巷中間位置布置6 個應(yīng)力監(jiān)測孔，孔深分別為1、2、3、4、5、10 m，孔間距1 m，在各孔底處安裝1 個鉆孔應(yīng)力計(jì)；并在應(yīng)力監(jiān)測區(qū)進(jìn)行巷道圍巖變形監(jiān)測，監(jiān)測順槽兩幫移近量及頂板下沉、離層情況，具體布置方案如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場監(jiān)測布置示意Fig.1 Layout of on-site monitoring

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.2.1 位移監(jiān)測結(jié)果分析

區(qū)段一兩幫收斂量變形規(guī)律如圖2 所示。當(dāng)區(qū)段一測點(diǎn)距離工作面回采位置250 m 時(shí)，膠運(yùn)順槽兩幫變形量最大值為2.4 mm，頂板下沉量最大值為3 mm；隨著監(jiān)測點(diǎn)與工作面距離減小，頂板下沉量逐漸增大，頂板最大累積下沉量為5 mm。

圖2 區(qū)段一監(jiān)測圍巖變形曲線Fig.2 Surrounding rock deformation curve of No.1 Section

區(qū)段二圍巖變形數(shù)據(jù)如圖3 所示。當(dāng)區(qū)段二測點(diǎn)距離工作面回采位置超過40 m 時(shí)，輔運(yùn)順槽頂板及兩幫變形量均極??；區(qū)段二測點(diǎn)距離工作面小于40 m 后，兩幫最大累積變形量為5 mm。當(dāng)區(qū)段二距離工作面回采位置小于10 m 后，頂板下沉量快速增大，隨著監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后50 m，頂板下沉量最大值為50 mm。工作面推過監(jiān)測區(qū)段二190 m 后，順槽頂板與兩幫累積收斂值較小。

圖3 區(qū)段二監(jiān)測圍巖變形曲線Fig.3 Surrounding rock deformation curve of No.2 Section

2.2.2 煤柱壓力監(jiān)測分析

巷幫煤柱支撐壓力監(jiān)測變化如圖4 所示。由煤柱應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果可知，距工作面25 m 時(shí)，膠運(yùn)順槽側(cè)4、5、10 m 處測點(diǎn)壓力同時(shí)增大，說明煤體進(jìn)入應(yīng)力峰值區(qū)，因此判定膠運(yùn)順槽側(cè)煤柱峰值應(yīng)力區(qū)為5 m，工作面超前支承壓力影響范圍為25 m。由圖4（b） 可知，距工作面20 m 時(shí)，輔運(yùn)順槽側(cè)煤柱3、4、5、10 m 處測點(diǎn)煤柱壓力值增大進(jìn)入應(yīng)力峰值區(qū)，因此判定此區(qū)域煤柱峰值應(yīng)力為4 m，工作面超前支承壓力影響范圍為20 m。

圖4 巷幫煤柱支撐壓力監(jiān)測變化Fig.4 Monitoring changes of support pressure of roadway side coal pillar

2.2.3 區(qū)段煤柱破碎區(qū)監(jiān)測分析

采用鉆孔窺視儀對順槽兩側(cè)進(jìn)行窺視，如圖5所示，工作面回采前，巷道圍巖裂隙較少，破裂區(qū)范圍小于0.8 m。受采動應(yīng)力影響，煤柱破裂區(qū)范圍達(dá)到0.8 ～1.7 m。說明在工作面推過兩監(jiān)測區(qū)后，兩順槽頂板較為完整且均未出現(xiàn)離層現(xiàn)象。巷道圍巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，頂板與兩幫累積收斂值較小，也說明現(xiàn)有20 m 區(qū)段煤柱寬度留設(shè)富裕，具有一定優(yōu)化空間。

圖5 采動前后區(qū)段煤柱破裂區(qū)鉆孔窺視結(jié)果Fig.5 Borehole peeping results of section coal pillar fracture zone before and after mining

3 區(qū)段煤柱合理寬度理論計(jì)算

根據(jù)大量研究及工程實(shí)踐[12-13]可知，區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定時(shí)留設(shè)的煤柱合理寬度B至少為：

根據(jù)庫侖準(zhǔn)則推導(dǎo)的煤柱屈服區(qū)寬度計(jì)算公式如下：

式中：R為煤柱屈服寬度，m；M為煤柱高度，m；d為開采擾動因子，d=1.5～3.0；λ 為屈服區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)；C為煤層與頂?shù)装褰佑|面的粘聚力，一般為0.1～20 MPa；φ0為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦角，一般為1°～35°；σzl為煤柱極限強(qiáng)度，MPa；Px 為煤壁側(cè)向約束力，MPa。

對于龍華煤礦區(qū)段煤柱，因煤柱側(cè)向約束力Px=0，則式（2） 可以簡化為：

帶入龍華煤礦30203 工作面相關(guān)參數(shù)，煤柱高度M=3.88 m；綜采擾動因子d=2.0；屈服區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)λ=0.18；煤層與頂?shù)装褰佑|面的粘聚力C=3 MPa；煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦角φ=30°；煤柱極限強(qiáng)度σzl=17.8 MPa。則R=3.53 m，無核區(qū)煤柱的最小寬度a0=2R=7.06 m。

因此，可得出龍華煤礦30203 工作面區(qū)段煤柱至少應(yīng)為14.82 m。

4 區(qū)段煤柱合理寬度數(shù)值模擬分析

采用UDEC 模擬軟件對龍華煤礦30203 工作面區(qū)段煤柱的合理寬度進(jìn)行模擬分析，分別模擬煤柱寬度為20、18、16、15、14、12 m 時(shí)煤柱塑性區(qū)分布特征，如圖6 所示。兩側(cè)工作面回采完后，從左依次回采完成對煤柱尺寸的優(yōu)化研究，從而確定30203 工作面區(qū)段煤柱的合理寬度。

圖6 不同寬度區(qū)段煤柱的塑性區(qū)分布特征Fig.6 Distribution characteristics of plastic zone of coal pillars with different widths

從圖6 可以看出，區(qū)段煤柱20 m 寬時(shí)，左側(cè)塑性區(qū)寬度2 m，右側(cè)塑性區(qū)寬度3 m，煤柱的彈性區(qū)為15.0 m，這與現(xiàn)場實(shí)測得到的彈性區(qū)寬度基本一致；煤柱18 m 寬時(shí)，左側(cè)塑性區(qū)寬度2 m，右側(cè)塑性區(qū)寬度2 m，煤柱的彈性區(qū)為14.0 m；煤柱16 m 寬時(shí)，左側(cè)塑性區(qū)寬度2 m，右側(cè)塑性區(qū)寬度3 m，煤柱的彈性區(qū)為11.0 m；15.0 m 煤柱條件下，左側(cè)塑性區(qū)寬度2 m，右側(cè)塑性區(qū)寬度3 m，煤柱的彈性區(qū)為10 m；14.0 m 煤柱條件下，左側(cè)塑性區(qū)寬度2 m，右側(cè)塑性區(qū)寬度4 m，煤柱的彈性區(qū)為7 m，小于2 倍的采高（2×3.88=7.56 m），不能夠滿足煤柱安全穩(wěn)定的要求。12.0 m 煤柱條件下，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度1 m，順槽側(cè)塑性區(qū)寬度5 m，煤柱的彈性區(qū)為6 m，不大于2 倍的采高。綜合上述分析，認(rèn)為留設(shè)15 m 寬區(qū)段煤柱能夠滿足礦井安全生產(chǎn)需求，也能保障煤柱穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

（1） 現(xiàn)場實(shí)測得出了膠運(yùn)順槽側(cè)煤柱峰值應(yīng)力為5 m，煤柱超前支承壓力影響范圍為25 m，輔運(yùn)順槽側(cè)煤柱峰值應(yīng)力為4 m，煤柱超前支承壓力影響范圍20 m。鉆孔窺視得出了20 m 寬區(qū)段煤柱破碎區(qū)范圍在0.8 ～1.7 m。

（2） 依據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則，結(jié)合龍華煤礦30203 工作面相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得出區(qū)段煤柱合理寬度應(yīng)大于14.82 m。

（3） 采用UDEC 數(shù)值模擬分析了不同煤柱寬度時(shí)煤柱應(yīng)力分布特征，最終得出15 m 區(qū)段煤柱的合理性，驗(yàn)證了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。