余 波，于化江，毕忠伟



长壁工作面合理区段煤柱宽度的留设

余 波1，于化江1，毕忠伟2

(1.国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙古 伊金霍洛旗 017209；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013)

根据察哈素煤矿地质条件，应用极限强度理论计算方法计算出了长壁工作面护巷煤柱的合理宽度；采用FLAC3D对长壁工作面区段煤柱宽度为10，15，20 m 3种条件下的塑性破坏范围和应力分布特征进行了模拟，结果表明，煤柱的塑性区范围随煤柱宽度的增加而减小，二次采动影响大于一次采动影响；煤柱内的应力大小随煤柱宽度的不同而变化，曲线整体呈上凸趋势的应力分布规律；综合理论计算与数值模拟结果，获得了该矿合理的区段煤柱宽度为12 m。将结果应用于现场，利用声波探测仪在现场对巷道11个位置的松动圈进行了观测，验证了区段煤柱尺寸的合理性，提高了回采率。

煤柱宽度；围岩破坏范围；应力分布；数值模拟

留设区段煤柱一直是煤矿开采传统的护巷方法，传统的留煤柱护巷方法是在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设一定宽度的煤柱，使下区段平巷避开固定支承压力峰值区[1]。区段平巷双巷在掘进和使用过程中，技术管理简单，对通风、运输、排水和安全都有利。但是，煤柱损失高达10%~30%，且回风巷受二次采动影响，巷道维护困难，支护费用高。煤柱支承压力向底板传播，不仅影响邻近煤层的开采和底板巷道的稳定，还成为引发冲击地压的隐患[2−6]。

国内外学者对区段煤柱合理尺寸确定方法进行了很多研究，其中主要有理论计算法、经验法、数值模拟法、现场实测4种方法。在已有的相关文献报道中，通过大量现场煤体应力测试与有限元模拟结合的方法来确定煤柱尺寸，也是使煤柱设计趋于合理的一种方法。本文正是基于此，通过研究确定察哈素煤矿43304工作面的合理区段煤柱宽度，提高资源回采率。

1 工程概况

察哈素煤矿43304工作面长度为314.27 m，推进长度为2337.5 m，煤层平均厚度为3.96 m，倾角1°~3°，留设煤柱宽度为15 m，容重1.31 t/m3，可采面积为734676 m2，地质储量392.7万t，设计平均采高3.8 m，可采储量365.2万t，工作面回采率为96%。43304工作面布置见图1。

43304工作面地层为以极缓的坡度向北西倾斜的单斜构造，局部有起伏，断层不发育，后生构造裂隙发育。煤层属简单结构煤层，工作面老顶为细粒砂岩，厚度约为1.6~9.29 m，浅灰色，成份以石英长石为主，次为暗色矿物及岩屑，含少量云母及绿泥石颗粒为次棱角状，分选一般，泥钙质胶结，致密坚硬。直接底为泥质砂岩，厚度约为0.7~0.9 m，灰色，泥质结构，水平层理发育，致密半坚硬，与底部岩层呈明显接触。根据43304工作面岩芯可知，43304工作面煤层上履岩层从下到上依次为粉砂岩和细粒砂岩；其中粉砂岩灰色，泥质胶结；细粒砂岩灰色，泥质胶结。煤岩力学参数见表1。

图1 43304工作面布置

表1 43煤层及顶板岩石力学参数

2 合理区段煤柱宽度确定

2.1 理论计算

目前国内外研究认为护巷煤柱的载荷是由煤柱上覆岩层重量及煤柱一侧或两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分重量所引起的[7]，如图2所示。

图2 计算煤层载荷

煤柱单位面积的平均载荷即平均应力为：

式中：为煤柱单位面积的平均载荷，kN；为巷道煤柱上的总载荷，kN；为煤柱宽度，m；为采空区宽度，取314.27 m；为巷道埋深，取120 m；为采空区上覆岩层跨落角，取85°；为上覆岩层平均体积力，取13.1 kN/m3；为煤层厚度，取3 m。

上述计算经过简化，以平面问题代替空间问题，以均质的上覆岩层取代复杂的岩层赋存状况，不涉及上覆岩层的移动，同时不考虑煤柱边缘部分会产生应力集中以及由于煤柱边缘部分破坏引起应力向煤柱深部转移等问题。虽然目前又出现了很多其他理论和计算方法，但该方法仍是最为实用的煤柱载荷估算方法，计算所得平均应力被认为是判断煤柱载荷的重要参数[8−10]。

目前护巷煤柱宽度的理论计算方法虽然有很多，但基本观点均认为煤柱的宽度必须保证煤柱的极限载荷，不超过它的极限强度，极限强度可以通过临界尺寸煤柱的强度R来表现，因此煤柱的宽度可以通过以下公式计算：

式中：R为临界尺寸煤柱的强度，本文取24 MPa。

将工作面相关参数代入式(2)，可得察哈素煤矿43304工作面区段合理煤柱宽度为12.5 m。

2.2 数值模拟优化

2.2.1 模型建立

采用 FLAC3D数值计算软件进行模拟分析，根据该矿现场地质条件，以43304运输巷与43305回风巷之间的煤柱作为研究对象。模型长270 m，宽250 m，高50 m，共41175单元块，45136个节点，巷道完全在实体煤中掘进，岩层性质采用表1的力学参数，整个模型底部为固定边界，没有水平位移，在模型上部施加垂直应力。本数值模拟共设计3种方案，煤柱尺寸宽为20，15和10 m，分别模拟一次和二次采动条件下的煤柱塑性区范围和支承压力变化规律。

2.2.2 塑性破坏范围变化规律

煤柱受一次采动影响时(见图3(a))，在工作面处，塑性区范围约为0.6 m；工作面前方10 m处，塑性区范围约为0.7 m，同一位置处，43305回风巷的塑性区小于43304运输巷。煤柱受二次采动影响时(见图3(b))，在工作面处，塑性区范围为0.7 m，工作面前方10 m处，塑性区范围为0.8 m，同样可以看出，在工作面前方10 m处的塑性区大于工作面处的塑性区。

结合煤柱为15，10 m时的塑性破坏范围(未画出)分布图可知，煤柱受一次采动影响时，随着煤柱宽度的增大，塑性区范围逐渐减小。43305回风巷塑性区宽度由1.1 m减小为0.8 m，顶板塑性区宽度由1 m减小为0.6 m。20，15，10 m的煤柱中间存在弹性核，弹性核分布范围较大，承载能力较强。

20 m煤柱受二次采动影响后煤柱的塑性区分布见表2。对比一次采动影响和二次采动影响可知，二次采动影响与一次采动影响一样，随着煤柱宽度的增大，塑性区范围逐渐减小。20，15，10 m的煤柱仍然存在弹性核(非塑性区)，但是10 m煤柱的弹性范围变小，巷道变形很大。另由计算可知，当煤柱宽度小于10 m时，煤柱内部已经没有弹性核的存在。在43304运输巷负帮和43305回风巷负帮，随着煤柱宽度的减小，塑性范围增加。

表2 二次采动条件下塑性破坏范围

顶板的塑性区变化与煤柱内的塑性区变化类似，随着煤柱宽度的增加，受一次采动影响，顶板塑性区宽度由10 m时的0.75 m减小为20 m时的0.5 m，受二次采动影响，顶板塑性区宽度由10 m时的0.9 m减小为20 m时的0.7 m。

2.2.3 煤柱围岩应力变化规律

图4、图5为煤柱宽度为20 m时，工作面处和工作面前方10 m处受一次和二次采动影响时垂直应力分布变化图。工作面处受一次采动影响时，43304运输巷正帮内2 m处支承应力最大(7.7 MPa)，43305回风巷正帮内1.8 m处支承应力最大(7.3 MPa)；工作面前方10 m处，43304运输巷正帮内1.7 m处支承应力最大(7.6 MPa)，43305回风巷正帮内1.6 m处支承应力最大(7.2 MPa)。

(a) 一次采动；(b) 二次采动

(a) 一次采动；(b) 二次采动

二次开采后，工作面处，43304运输巷正帮内 2.1 m处支承应力最大(11 MPa)，43305回风巷正帮内1.4 m处支承应力最大(9 MPa)；工作面前方10 m处，43304运输巷正帮内2.2 m处支承应力最大(11.1 MPa)，43305回风巷正帮内1 m处支承应力最大 (9.2 MPa)。

由图5可以看出，当留设煤柱宽度为20 m时，煤柱应力分布呈“马鞍型”，侧向峰值应力位于煤柱内3 m左右，煤柱应力集中不是很明显，应力集中系数只有1.7左右，20 m煤柱时的弹性核宽度为 13 m左右；靠近工作面一侧的应力集中大于采空区一侧，应力峰值深度也是靠近工作面一侧偏大。

随着煤柱由20 m逐渐减小为10 m，煤柱的塑性区向内部转移，同时煤柱的弹性核也随之变小。由此可以得出，煤柱在不同宽度时，煤柱内的应力大小随煤柱宽度的不同而变化，曲线整体呈上凸趋势。随煤柱宽度的增加，煤柱内垂直应力峰值先增后减，即随煤柱宽度的增加，煤柱承载能力逐渐提高，煤柱起主要承载作用。结合煤柱内塑性区分布及应力分布，可知察哈素煤矿的合理煤柱宽度为10.5 m。

3 松动圈现场测试

通过数值模拟对煤柱的应力、塑性区进行了模拟，为了验证模拟结果，在43305回风巷正帮距工作面100 m处开始布置第1个测点，每隔100 m布置1个测点，测点布置在巷道中点处，共布置11个测点进行松动圈观测。43305回风巷道1#测点处松动圈的测试结果见图6所示。

通过现场实测可知，察哈素矿43305回风巷道受掘进影响时松动圈为中松动圈，且松动圈范围随着测点距离掘进头越远而逐渐增大。掘进影响下，回采巷道正帮松动圈最大为1.4 m，最小为0.7 m；负帮松动圈最大为1.1 m，最小为0.9 m。

(a) 正帮；(b) 负帮

由察哈素矿回采巷道两帮松动圈破坏可知，43305回风巷正帮的松动范围略大于负帮，正帮破坏较严重。该结果与数值模拟结果相一致，进而说明通过模拟获得的煤柱宽度留设具有合理性。

4 结 论

(1) 通过理论计算与数值模拟，对察哈素煤矿43304工作面区段煤柱宽度进行了优化，其中理论计算为12.5 m；数值计算方法确定的区段煤柱宽度为10.5 m。采用数值模拟法计算的弹塑性区范围是煤体侧向峰值应力的位置，包含了破裂区和塑性区两部分。综合理论计算与数值模拟，最终确定合理的区段煤柱宽度为12 m。

(2) 利用声波探测器进行了11个位置处的松动圈测试，结果表明察哈素矿受采掘影响后的松动圈为中松动圈，总体趋势是距离掘进头越远，松动圈范围有逐渐增大的趋势。该结果与数值模拟结果相一致。

(3) 此前察哈素煤矿43304工作面采用的区段煤柱宽度为15 m，应用本研究成果后，将煤柱宽度缩小为12 m，提高了煤炭回采率，经济效益明显，且在回采过程中未发生由于煤柱宽度留设不合理而引发的安全事故。

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(2018−12−12)

余 波(1982—)，男，四川人，工程师，主要从事采煤工艺及防治水方面的技术与管理工作，Email:47713675@qq.com。