刘锐军

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟矿，山西 兴县 035300）

河东煤田兴县斜沟井田内地质构造简单，总体上为一走向近南北，倾向西的单斜构造。倾角小于15°，一般为8～12°，主采8#、9#煤层，8#煤层厚度为5.95～16.68m，平均8.68m，为结构简单～复杂、层位稳定的全区可采煤层，是井田内的主采煤层。斜沟煤矿18102综采工作面采用一次采全高的大采高综采技术，随着矿井采掘深度不断加大，回采工作面区段煤柱尺寸留设宽度也不断增加，导致留设煤柱资源损失量逐年递增。因此，确定合理的区段煤柱尺寸成为困扰斜沟矿回采工作面实现高产高效的技术性问题。

1 综采工作面矿压规律分析

1.1 18102综采工作面矿压显现规律研究

通过对斜沟矿18102综采工作面矿压进行实时动态监测，对矿压测量值进行分析，绘制出18102综采工作面液压支架矿压显现分布图（图1）。回采工作面矿压显现中部强于两端，且在中部3次矿压显现后，两端才发生1次基本顶断裂，在基本顶出现断裂与下沉时，工作面两端上覆岩层动载效应将直接作用到护巷煤柱。

图1 液压支架矿压显现分布图

1.2 工作面巷道变形规律实测

对18102回采工作面及相邻18104工作面胶带运输巷道等地点的矿压监测，并对监测数值进行分析，绘制出工作面回采过程中各监测点顶板离层量和巷道收敛值变化曲线图（图2）。

通过对监测数值的分析，胶带运输巷在距离18104工作面30m内矿压显现加剧，胶运巷表面没有发生片帮，而巷道两帮收敛值增加达到325mm，巷道顶板下沉增加到235mm。辅助运输巷道在距18104工作面20m，受来压影响变形加剧；距工作面80m，变形减小，巷道仅发生小量片帮现象，顶板下沉量为1905mm，巷道收敛值为2350mm。受来压影响巷道形变量小，对当前留设的30m巷道的煤柱尺寸有优化的余地。

图2 巷道收敛值变化曲线图

2 煤柱留设数值模拟

2.1 模型建立

以18105工作面为背景，工作面留设煤柱尺寸为30m，工作面倾向长度325 m。考虑8#、9#煤层综采工作面交叉布置所导致的群采效应影响，在模拟数值计算过程中分别在18105工作面上部布置17103和17104两个综采工作面。

为验证8#煤层回采工作面留设煤柱的合理宽度，在巷道布置和工作面长度不改变的情况下，分3种计算方案：（1）回采工作面区段留设煤柱宽度30 m；（2）回采工作面区段煤柱留设宽度25 m；（3）回采工作面留设煤柱宽度20 m。

2.2 工作面留设煤柱合理宽度模拟分析

为了确定合理的工作面区段煤柱尺寸，以斜沟矿煤岩体地质力学参数为基础，进行模拟计算，在巷道采掘过程中，采区开挖和顶板垮落回填，到巷道达到安全稳定。分析比较留设煤柱宽度不同尺寸下弹塑性变形区及围岩应力的分布状态，分析出留设煤柱的合理宽度。

在开采过程中，对回采工作面留设不同宽度煤柱的弹塑性变形进行模拟分析，可以得出：留设煤柱宽度为30m，回采工作面塑性区宽度4m，巷道侧塑性区宽度3m，煤柱的弹性区为15.3m；留设煤柱宽度25m，采空区侧塑性区宽度3m，巷道侧塑性区宽度2.5m，煤柱的弹性区为10.5m；留设煤柱宽度20m，采空区侧塑性区宽度2.9m，巷道侧塑性区宽度3m,弹性区为9.5m，达不到煤柱安全承载标准。

使用FLAC3D数值模拟软件计算得出，将18102工作面区段煤柱宽度由30m缩减为25m,煤柱所承载的压力没有发生较大变化，能够保证矿井的安全回采,并提升斜沟矿的回采率。

3 煤柱载荷和宽度计算

3.1 煤柱载荷计算

鉴于斜沟矿的井下实际采掘情况，留设煤柱的总载荷主要是煤柱上覆岩层重力和煤柱两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的重力。如图3煤柱载荷示意图所示。

煤柱上的总载荷为：

式中：

p-煤柱上的总载荷，kN；

B-煤柱宽度，m；

δ-采空区上覆岩层垮落角，（°）；

γ-上覆岩层平均容重，kN／m³。

煤柱单位面积的平均载荷即平均应力：

图3 计算煤柱载荷示意图

河东煤田斜沟井田的煤种为低硫、中灰、高挥发分、高热量、抗碎强度高的气煤、中粘煤和焦煤，鉴于其煤质较硬，在煤柱发生塑性变形后，煤柱的承载能力大幅减少，为保障煤柱安全的承载能力，在计算留设煤柱强度和刚度时，按煤柱弹塑性变形区计算。

3.2 煤柱宽度的理论计算

为保证留设煤柱强度和刚度，应对煤柱所受的围岩应力进行研究。采动后，回采工作面煤柱两测会形成弹塑性变形区，煤柱中央处于弹性应力状态。煤柱保持在合理的弹塑性变形范围内，才能保证留设煤柱的安全稳定性。煤柱在采空区的弹塑性变形区宽度分别为x0、x1，如图4。

图4 煤柱弹塑性变形区及围岩应力分布

煤柱保证安全稳定性的宽度计算公式：

式中：

k-安全系数范围，1.15～1.45；

M-煤层高度，m；

x0-开采侧留设煤柱弹塑性变形区宽度，m；

x1-未开采侧煤柱弹塑性变形区宽度，m。

式中：

γ-煤层容重，20kN/m³；

φ-煤层内摩擦角，30°；

f-煤层间的摩擦因数，0.4；

τ-煤柱侧向约束力，0.1MPa；

K-围岩应力集中系数，2.5；

H-煤层埋藏深度，476.5m；

C-煤体内聚力，2MPa；

γ0-巷道等效半径，4.5m；

γ1-岩体平均体积，30kN/m³。

将数值代入公式计算得出，x0=10.5，x1=2.03。留设煤柱合理宽度为25m。

实测8#煤层单轴抗压强度为19.8MPa,当留设煤柱宽度为30m时，煤柱所承载的平均载荷低；当留设煤柱宽度为20m时，煤柱所承载的平均载荷高，大于煤柱的单轴抗压强度，煤柱处于不稳定状态，所以当留设的煤柱宽度为25m时较合理。

4 结论

（1）基于斜沟矿的水文地质条件，通过对18102综采工作面矿压进行实时动态监测分析，得出受来压影响，工作面中部矿压显现强于两端，巷道表面没有发生严重片帮，在顶板出现断裂与下沉时，工作面两端上覆岩层动载效应将直接作用到护巷煤柱。

（2）18102回采工作面巷道顶板平均下沉量为21.5mm，巷道平均收敛量为26.5mm。巷道顶底板和两帮的形变量小，没有发生较大范围的片帮冒顶现象，表明煤柱的安全承载性好，为后期的优化改造提供了空间。

（3）根据斜沟矿地质资料和井下测量数据，基于压力拱理论和威尔逊定理，结合浅埋煤层上覆岩层运动特征，通过使用FLAC3D数值模拟软件对矿井压力动态监测、计算与分析为斜沟矿大采高综采工作面区段合理煤柱尺寸的留设提供了数据和理论支持，模拟计算得出斜沟矿综采工作面合理煤柱留设宽度为25m，并将工作面联巷减少为原来的1/5,便于后期的维护与稳定。并为地质条件相似矿井的煤柱留设提供参考。