闫 东

（山西煤炭运销集团泰山隆安煤业有限公司，山西 忻州 034000）

在近距离煤层开采过程中，上、下煤层回采巷道的留设煤柱的宽度大小与对回采巷道的支护难易程度、维护成本、安全生产以及工作面回采率密切相关，煤柱宽度选择合理与否，对保证巷道稳定性至关重要[1-2]。本文以隆安煤矿四采区11#煤层近距离开采为例，通过理论计算与数值模拟综合方法，分析研究了不同宽度煤柱在底板扩散的影响范围，计算出了合理的煤柱留设宽度，为巷道的支护及节约成本打下了坚实的基础。

1 工程概况

隆安煤矿四采区采掘煤层为石炭系太原组上部煤层，11上煤层厚度1.38～1.6 m，平均1.4 m，11下煤层厚度1.3～2.2 m，平均1.5 m。11#煤岩层结构见图1。

图1 11#煤层综合柱状图

2 煤柱留设尺寸合理性分析

2.1 数值模拟

根据矿井生产地质报告，建立数值模型分析煤柱应力在底板中的扩散规律，以11上401工作面与11上402工作面区段煤柱为例，分析不同煤柱宽度下，底板应力扩散规律。数值模拟方案为：在其他条件相同的情况下，分别选取8 m、15 m宽度煤柱进行分析。

根据图2的模拟结果可知：

图2 不同宽度煤柱底板应力扩散云图

（1）煤柱集中应力向煤层底板传递的垂直应力按一定的角度向煤柱两侧扩散，距离煤柱均布载荷越近，底板应力载荷向四周扩散的分布范围越小，但对巷道围岩影响程度越大。

（2）在深度不同的底板水平截面上，垂直应力距离煤柱中央形成两个峰值，之后随远离煤柱中央而逐渐衰减，在煤柱边缘处衰减速度最大。

（3）在一定范围内，随着煤柱宽度的逐渐增加，下部煤层的垂直应力峰值开始逐渐减小，同时其位置也慢慢向煤柱中心方向移动，且垂直应力分布曲线由原先的“单峰形”转变成“马鞍形”，说明煤层宽度对下层煤层垂直应力分布影响较大［3］。

2.2 煤柱留设宽度计算

（1）11上煤层煤柱留设计算

根据工作面基本地质资料及煤岩层特性参数可知，11上煤岩层物理力学基本参数值分别为：M=1.60 m，=28.9°，Pi=0，ξ=2.846，H=229 m，γ=25 kN/m3，k=4.02，C=1.3 MPa，f=0.2。则当煤柱一侧采空时其塑性变形区宽度x0可见式（1）：

根据A.H.Wilson提出煤矿井下近煤层开采留设煤柱塑性变形区宽度计算见式（2）：

通过对煤柱塑性区宽度进行研究分析可知，煤柱自身承载的载荷大小与其留设的宽度有重要关系。煤柱能够保证维持稳定状态的基本条件是：当留设的煤柱两侧受力后进入塑性变形状态时，在煤柱的中心位置会产生弹性核，该弹性核的宽度与煤柱的高度之间存在一定的关系，其最小宽度值一般是煤柱高度的1～2倍［4］，所以，确保煤柱达到稳定状态，其最小宽度B可见式（3）：

上述计算可以得到x0分别为1.86 m、1.80 m，所以取x0为1.86 m，M=1.60 m，根据公式（3）计算可知煤柱能够维持稳定状态时的最小宽度为6.92 m，即11上煤层工作面煤柱宽度大于6.92 m时可以稳定。11上煤层工作面留设宽度达到15 m时，能够达到形成稳定煤柱的条件。因此，上煤层11上煤层回采后采空区的遗留煤柱基本上不会出现整体失稳破坏。

（2）11下煤层煤柱留设计算

根据工作面基本地质资料及煤岩层特性参数可知，11下下组煤煤岩层物理力学基本参数值为：M=4.50 m，φ=25.3° ，Pi=0，ξ=2.49，H=231.7 m，γ=25 kN/m3，k=3.84，C=1.5 MPa，f=0.2。则当下组煤煤柱一侧采空时其塑性变形区宽度x0可见式（4）：

根据A.H.Wilson提出煤矿井下近煤层开采留设煤柱塑性变形区宽度的计算公式可得：

通过上述计算可得x0分别为：4.75 m、5.11 m，故x0取5.11 m，根据式（3）计算可知保证留设的煤柱处于稳定状态时的最小宽度为19.22 m。因在实际应用过程中需增加一定的安全系数，故结合实际情况，将11下煤层工作面留设的煤柱尺寸确定为20 m。

3 不同煤柱回采巷道数值模拟分析

综合以上分析结果，建立11下401工作面回采巷道在不同煤柱宽度下的计算模型，分别对不同宽度煤柱下的巷道应力分布规律及特征进行模拟，见图3。

由图3可知，煤柱宽度15 m时围岩垂直应力最大值3.8 MPa，巷道围岩整体处于应力降低区；煤柱宽度20 m时围岩垂直应力最大值为3.6 MPa；煤柱宽度25 m时围岩垂直应力最大值为3.6 MPa，煤柱宽度超过15 m后巷道围岩应力处于较低应力范围内且变化程度不大，整体处于稳定状态。综合以上分析，11#近煤层工作面开采留设煤柱的合理宽度为20 m，不仅能够保证巷道围岩应力整体处于稳定状态，而且能够减少煤炭资源损失。

图3 宽度不同的煤柱围岩垂直应力变化分布

4 应用效果分析

为确定留设的煤柱宽度是否达到设计要求，在11下401工作面顺槽距工作面180 m和200 m处分别设置2个矿压观测分站，对工作面留设煤柱内部煤体围岩应力变化及顺槽巷道顶底板及巷帮移近量变化情况进行定期观测。在每个观测点施工3个钻孔，在钻孔内安装应力测力计对留设的煤柱在煤体围岩应力变化进行观测，每5天对巷道矿压进行一次观测，绘制见图5和图6曲线图。根据图4分析可知，埋深在10 m位置的测点应力变化最大值为4.6 MPa，埋深在15 m位置的测点应力变化最大值为3.5 MPa，埋深在25 m位置的测点应力变化最大值为3.3 MPa。说明煤柱宽度在10 m时巷道围岩应力变化最大，而在宽度超过15 m以后，应力变化不大，基本处于平稳状态。

图4 煤柱应力变化

由图5曲线变化图数据分析可知，随着工作面回采位置的不断向前推移，巷道顶底板和巷帮位移量逐渐变大，在距工作面切眼50 m时，巷道位移量开始明显变大，当距工作面切眼5 m左右位置时，巷道顶底板移近量变化最大，其中顶底板位移量最大为65 mm，两帮移近量最大为20 mm。巷道顶底板位移变化量最大值在设计允许范围内，说明巷道围岩变形在可控状态，留设的煤柱宽度满足巷道支护要求。

图5 巷道围岩移近量变化

5 结语

根据对隆安煤矿煤矿四采区11#煤层煤柱留设尺寸研究发现：

1）煤柱自身承载的载荷大小与其留设的宽度有重要关系，当留设的煤柱两侧受力后进入塑性变形状态时，在煤柱的中心位置会产生弹性核，其最小宽度值一般是煤柱高度的1～2倍。

2）11#煤层工作面开采时留设煤柱宽度在10 m时巷道围岩应力变化最大，而在宽度超过15 m以后，巷道围岩应力处于较低应力范围内且变化程度不大，整体处于稳定状态。

3）经应用实践结果表明，11#近煤层工作面开采留设煤柱20 m时，工作面在开采过程中，巷道围岩顶板最大移近量在65 mm，两帮变形量最大为20 mm，巷道围岩变形量在设计允许变形量范围内，说明留设的煤柱宽度比较合理。该煤柱宽度尺寸的设计为矿井今后新采区近煤层开采留设煤柱提供了参考，具有较大的推广应用价值。