段 龙

（临汾宏大隆博煤业，山西 临汾 042100）

1 工程概况

山西焦煤霍州煤电临汾宏大隆博煤业目前主采2#煤层，埋深494～540 m，煤层厚度为3.4～4.2 m，平均3.8 m，煤层倾角0°～12°，平均6°，煤层结构简单，为稳定可采煤层。如表1 所示，2#煤层上方依次为均厚1.3 m 的泥岩、均厚3.9 m 的粉砂岩及均厚5.4 m 的细粒砂岩，下方为均厚1.4 m 的泥岩和2.8 m 的中粒砂岩。

表1 2#煤层顶底板岩性

以往2#煤层工作面设计区段煤柱尺寸为30 m，以均厚3.8 m、单个工作面走向长度1000 m 计算，仅一条区段煤柱，浪费约16.4 万t 煤炭资源，急需对区段煤柱尺寸进行优化[1-5]，提高煤炭资源回收率。

2 区段小煤柱合理尺寸

2.1 区段小煤柱合理尺寸理论计算

区段煤柱尺寸过大，会造成不必要的资源浪费，影响煤炭资源回收率；而煤柱尺寸过小，则煤柱支撑力不足，在受到多次扰动后，极易造成煤柱失稳，引发安全事故。因此，合理的区段小煤柱尺寸，应在保证煤炭资源回收率的同时，还要维持煤柱本身的稳定性[1-5]。如图1 所示，合理的区段小煤柱尺寸可由下式计算。

图1 区段小煤柱合理尺寸计算模型

如图1 所示， 合理的区段煤柱尺寸X=X1+X2+X3。X1为工作面回采后区段煤柱在采空区侧形成的塑性区范围；X2为煤柱宽度富余量，一般为0.99～2.31 m；X3为锚杆支护的有效长度，取2.0 m。其中X1可由极限平衡理论公式进行计算，计算公式如下：

式中：M为采高，3.8 m；A为修正系数，0.4；C0为内聚力，1.78 MPa；φ0为内摩擦角，34.4°；K为极限平衡系数，2.5；γ为容重，25 kN/m3；H为埋深，510 m；Pz为荷载，0.15 MPa。计算可得X1=2.71m，代入计算可得2#煤层区段煤柱的合理尺寸为5.7～7.02 m。

2.2 数值模拟分析

以2#煤层地质条件为基础，借助FLAC3D数值模拟软件建立模型，模型尺寸长×高=160 m×100 m，对模型下边界及左右边界均施加约束，上边界施加12.4 MPa 的垂直应力，等效于510 m 上覆岩层的自重应力。以上述理论计算结果为依据，分别对区段煤柱尺寸为5 m、6 m、7 m、8 m 进行模拟。为避免边界效应，在模型左右边界各留40 m 的边界实体煤，巷道断面尺寸为宽×高=4.8 m×3.5 m。数值模拟结果如图2。

图2 不同尺寸煤柱塑性区示意图

如图2 所示，区段煤柱塑性区范围与煤柱尺寸呈反比关系。当煤柱尺寸为5 m 时，煤柱仅在上端有一部分煤体处于弹性状态，大部分煤柱均处于塑性状态，此时区段煤柱支撑力小；当煤柱尺寸为6 m 时，煤柱弹性区范围有所增大，占总面积的48%，但是煤柱大部分煤体仍处于塑性状态，尤其是区段煤柱中心区域仍为塑性区，区段煤柱支撑力仍然不足；当煤柱尺寸为7 m 时，煤柱弹性范围进一步增大，占到总面积的62%，且区段煤柱中心区域煤体均处于弹性状态，表明煤柱支撑力较好；当煤柱尺寸为8 m 时，煤柱弹性区范围进一步扩大，占到煤柱总面积的71%，此时区段煤柱只有少部分煤体处于塑性状态，支撑能力大，但是过大的尺寸会造成一定的资源浪费。

如图3 所示，不同尺寸的区段煤柱，巷道围岩均为非对称变形，巷道顶板及煤柱侧围岩变形大于底板及实体煤侧围岩变形。当煤柱宽度为5 m时，巷道顶板变形量为顶底板变形量的66.4%，巷道煤柱侧变形量占两帮变形量的70.2%；当煤柱宽度为6 m 时，巷道顶板变形量为顶底板变形量的64.5%，巷道煤柱侧变形量占两帮变形量的70.5%；当煤柱宽度为7 m 时，巷道顶板变形量为顶底板变形量的62.8%，巷道煤柱侧变形量占两帮变形量的70.7%；当煤柱宽度为8 m 时，巷道顶板变形量为顶底板变形量的62.3%，巷道煤柱侧变形量占两帮变形量的70.5%。数值模拟结果表明，随着煤柱尺寸的增大，巷道顶板变形量明显减小，巷道煤柱侧及实体煤侧变形量也明显减小。

图3 不同尺寸煤柱垂直应力分布示意图

综合以上数值模拟所得到不同煤柱尺寸条件下区段煤柱塑性区范围及巷道围岩变形量变化情况，确定2#煤层区段煤柱合理尺寸为7 m。

3 现场试验

以2-508 综采工作面为工程背景进行现场试验。2-508 运输巷与邻近工作面采空区之间留设7 m 宽区段煤柱，巷道断面尺寸为宽×高=4.8 m×3.5 m。巷道支护方案如图4，顶板锚杆选用Ф20 mm×2000 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×900 mm，顶板锚索规格为Ф18.9 mm×7300 mm，间排距为2000 mm×1800 mm。帮锚杆选用Ф20 mm×2000 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×900 mm。

图4 巷道支护断面图（mm）

为了解区段煤柱尺寸为7 m 时的现场效果，在2-508 运输巷超前开切眼100 m 及200 m 位置布置测点，对巷道顶底板变形量、两帮变形量及顶板离层量进行现场监测，监测曲线如图5。

如图5 所示，随着工作面的推进，巷道围岩变形量及离层量均呈现先不变、后增大的变化趋势，最终测点1 所监测到的巷道顶底板移近量最大值为76 mm，两帮变形量最大值为34 mm，顶板离层量仅为21 mm；测点2 所监测到的巷道顶底板移近量最大值为65 mm，两帮变形量最大值为41 mm，离层量最大值仅为17 mm。现场监测数据表明，当区段煤柱设置为7 m 时，巷道围岩变形量较小，顶板岩层并未产生明显的离层现象，可以满足安全生产需求。

图5 现场监测曲线

4 结论

采用理论分析及数值模拟的方案，对工作面区段煤柱的合理尺寸进行了分析，确定合理的区段小煤柱尺寸为7 m，并在隆博煤业2-508 综采工作面进行现场试验。通过对2-508 运输巷围岩变形量及顶板离层量的现场监测，结果表明当区段煤柱设置为7 m 时，巷道围岩变形量不大，且未出现明显的顶板离层现象，可以满足安全生产需求。