大采高综放面区段煤柱合理留设研究

孔德中，王兆会，李小萌，王颜亮，王 闯

（中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京 100083）

1 引言

近年来，随着综合机械化水平的提高以及大采高综放技术开采的优越性得到普遍认可，越来越多的特厚煤层（15～20 m）矿井采用大采高综放开采技术。由于综放开采本身存在资源浪费大的缺点，就为大采高综放面区段煤柱合理留设提出更高要求。区段煤柱的作用一方面是隔离采空区，另一方面是保证下区段巷道的稳定性。煤柱的合理宽度不仅关系到回采巷道的支护效果，而且影响煤矿的安全生产及经济效益。煤柱过窄，虽然能减少煤炭损失，但煤柱容易失稳，不仅给巷道维护造成困难而且容易造成采空区漏风；煤柱过宽，不仅导致煤炭资源的浪费，而且难以保证巷道处在支承压力卸压带范围内。因此，一般将避开倾向支承压力峰值范围作为确定区段煤柱宽度的主要依据。合理确定煤柱宽度，兼顾资源回收率、巷道稳定性和安全生产及经济效益一直是众多学者研究的重点。谢广祥等对综放面沿空巷道小煤柱合理宽度进行了研究[1－6]，研究结果表明在较薄厚煤层综放开采过程中，沿空巷道窄小煤柱能够保证巷道的稳定性。刘金海等采用现场实测、数值模拟、相似模拟、理论计算对综放面不同煤柱宽度进行了研究，结果表明大煤柱能够保持巷道的稳定性[7－9]。刘增辉等[10]对综放面不同煤柱宽度进行了研究，表明护巷煤柱的合理宽度应小于巷帮实体煤内应力向煤柱内转移的临界宽度。综上可知，大采高综放面区段煤柱合理留设应同时兼顾到巷道稳定性、煤柱的完整度和资源回收率。本文以某矿8103面为工程背景，在现场实测与理论计算的基础上，运用FlAC3D对不同区段煤柱宽度进行研究，以期为类似条件的参数确定提供理论和数据支持。

2 工作面概况及研究思路

2.1 工作面概况

某矿8103大采高综放面工作面标高为-400～-440 m，工作面走向推进长度为1 700 m，工作面150 m。煤层倾角0°～3°，为近水平煤层，煤层厚8.5～20 m，平均煤厚15 m。割煤高度为5 m，放煤高度为10 m，采放比1:2。工作面煤层含2～3层夹矸，夹矸的岩性为黑高岭质泥岩、褐色高岭岩、灰黑色炭质泥岩，该面煤层稳定，结构复杂。根据钻孔揭露的情况：直接底为泥岩，厚约2.38～6.42 m；基本底为中粗砂岩，厚约23.6 m；直接顶为泥岩或砂质泥岩，厚约2.46～6.28 m；老顶自上而下为2号煤层、岩浆岩、硅化煤、粉砂岩、细砂岩、高岭质泥岩与砂质泥岩等，厚12.4～28.3 m。

2.2 研究思路

某矿8103面无冲击危险性，大采高综放面区段煤柱宽度合理留设主要考虑3个原则，即有利于提高资源回收率、有利于保证巷道稳定和有利于控制次生灾害（瓦斯溢出、残煤自燃等），其中资源回收率与煤柱宽度有关，巷道的稳定性与所处的应力环境有关，次生灾害的控制与煤柱的完整性有关。基于此，本文首先研究大采高综放工作面倾向支承压力分布特征，确定应力降低区、应力增高区及原岩应力区范围。然后，对采动影响下“窄煤柱”（巷道处在应力降低区）、“宽煤柱”（巷道处在原岩应力区）巷道稳定性及煤柱完整性进行分析。最后，根据以上3个“有利于”原则确定大采高综放工作面区段煤柱的合理宽度。

3 综放面倾向支承压力分布规律

煤层开采过程破坏了原岩应力场的平衡状态，引起回采空间周围应力重新分布。上区段工作面回采后，采空区上部岩层重量将向采空区周围新的支承点转移，随着工作面推进，采空区上覆岩层垮落，老顶周期性破断，在工作面端头破断形成起着关键作用的弧形三角块结构，采空区上部岩层将形成新的平衡支承点，从而在工作面倾斜方向形成倾向支承应力。8103工作面回采过后，在沿煤层倾斜方向上形成的倾向支承应力对8104回风平巷的布置有重要影响，即对区段煤柱留设起着决定性的作用。因此，上区段工作面回采形成的倾向支承应力是决定区段煤柱宽度的大应力环境。

3.1 倾向支承压力分布的理论计算

根据极限平衡理论，建立如图1力学模型[11]。

图1 倾向支承压力分布的力学模型Fig.1 Mechanical model of side abutment pressure

由图1可列平衡微分方程：

求解可得

式中： fx、 fy分别为极限平衡区内煤体在x、y 方向的体积力， fx=0， fy=Mxγ ；λ为侧压系数；γ为煤岩体重度；φ为煤层与顶底板界面处的摩擦角；c为煤层与顶底板界面处的黏聚力；σy为垂直应力；M为煤层开采厚度；σx为单元体所受水平应力；Fx为支架对煤帮的横向作用力；x0为极限平衡区宽度。

将M=15 m，λ=0.3，φ=25°，c=1.6 MPa，γ=25 kN/m3，Fx=0.25 MPa代入式（2），得到x0=8.67 m。

考虑到开采扰动的影响，煤体侧帮产生松动破坏，导致支承压力峰值向深部移动。结合大量观测资料及数值模拟的分析，取扰动系数k=1.65，则x=kx0=14.31 m。

3.2 倾向支承压力分布的现场实测

全面掌握大采高综放面倾向支承压力分布规律，是确定煤柱尺寸、正确选择巷道位置的依据。为获得8103面倾向支承压力分布特征，在运输平巷下侧未采实体煤内安设了多个KSE型钻孔应力计，实测倾向支承压力在回采期间的变化情况。共布置5个测站，间距为10 m，每个测站各安装6个钻孔应力计，钻孔间距2 m。对现场监测数据整理如图2所示。

图2 倾向支承压力分布Fig.2 Distribution of side abutment pressure

由图2可见，8103面回采后在沿煤层倾斜方向上的煤岩体内形成倾向支承应力分布带。沿倾向基本上都存在应力峰值，距工作面不同位置处倾向应力峰值位置基本无变化。沿工作面倾斜方向，支承压力整体呈现先增大后减小最终趋于稳定的趋势。距离巷帮侧应力降低区为巷帮侧0～7 m内，应力集中系数由0.26～0.50上升到0.98～1.02；在距离巷帮侧7～15 m内，应力集中系数由0.98～1.02上升到1.62～1.71；距离巷帮侧15～28 m内，应力集中系数由1.62～1.71下降到1.04～1.01；距离巷帮侧28 m外，应力集中系数维持在1.00左右。

综合理论计算与现场实测可知，8103面倾向支承压力的应力降低区为巷帮侧6～8 m，应力增高区为8～28 m，原岩应力区为巷帮侧28 m外的范围。

4 综放面倾向煤体较完整区的确定

从提高煤炭采出率和煤矿开采效益的角度出发，区段煤柱宽度应尽可能小，但如果煤柱过窄，下区段工作面采动时，煤柱在支承压力叠加影响下易于变形破裂，从而使巷道中锚杆锚固在较破碎煤体中锚杆的作用难以充分发挥，巷道稳定性难以保证。此外，煤柱的破裂变形导致上区段采空区瓦斯溢出、残煤自燃等次生灾害的发生，因此倾向煤体较完整区的确定是合理煤柱留设的重要依据。

根据煤层裂隙分布情况、结构破坏程度以及承载能力，可将上区段巷帮外侧煤体沿倾向依次划分为严重破裂区（A）、破坏不明显区（B）和完整区（C），见图3。图中，A区煤体裂隙发育、结构严重破坏，无承载能力；B区煤体具有一定承载能力，裂隙不发育，结构破坏不明显；C区煤体承载能力较好，结构未破坏，裂隙不发育。为防止采空区内瓦斯溢出、残煤自燃等次生灾害的发生，窄小煤柱巷道应布置在B区或C区内，可见A区宽度是确定小煤柱巷道位置的重要依据。

图3 综放面倾向煤体结构分区示意图Fig.3 Sketch of side coal seam structures of fully-mechanized caving face

通过工程类比简单确定8103工作面采空区外侧A区宽度：河南某矿综放工作面采放厚度为20 m，采用注水测漏法对区段煤柱破裂区进行测定，获得A区宽度约为5 m。8103工作面采放厚度为15 m，且工作面端头不放煤，冒落的顶煤有利于限制煤柱变形，所以推断工作面采空区外侧A区宽约4 m。

区段煤柱可有4种留设方案：在应力降低区留设6 m小煤柱、8 m小煤柱和在原岩应力区留设28 m大煤柱和30 m大煤柱，如图4所示。

图4 煤柱留设方案简图Fig.4 Design schemes of coal pillar

5 不同煤柱宽度的数值模拟分析

合理的煤柱宽度不仅要保证煤柱在巷道掘进、下区段工作面采动过程中具有一定的承载能力，不发生失稳，而且要保证巷道在采动影响下稳定性较好[12－15]。因此，研究区段煤柱的合理宽度时应充分考虑8104工作面回采对其的影响，本文以8104工作面回采后对煤柱和巷道的稳定性影响为切入点进行分析，采用FLAC3D模拟上述方案（6、8 m小煤柱，28、30 m大煤柱）下煤柱和巷道应力场、位移场以及破坏场的分布和演化规律。

建立如图5所示的计算模型。模型长200 m，宽400 m，高100 m，共划分288 693个节点和262 500个单元体。模型前后左右和底部为对位移边界进行固定，上部施加10.5 MPa的均布载荷。数值计算采用的岩层物理力学参数见表1。

图5 数值计算模型Fig.5 Model of numerical calculation

5.1 不同煤柱宽度的煤柱垂直应力分布规律

8104工作面回采时，不同煤柱宽度的垂直应力分布云图如图6所示。为了得到下区段工作面回采时不同煤柱宽度煤柱支承压力分布特征，对工作面推进60 m时煤柱和巷道的垂直应力进行监测，导入excel处理后曲线如图7、8所示。区段煤柱内的垂直应力在巷道开掘后重新分布，在8104工作面采动影响下再次分布，煤柱宽度对垂直应力分布影响较大。

由图6～8可以看出，（1）工作面前方煤柱沿走向方向上的垂直应力先增大后减小，峰值点在工作面前方14.3～15.7 m，小煤柱宽度为6 m时的峰值应力是12 MPa；当小煤柱宽度由6 m增加到8 m时，峰值应力由12 MPa增加到18 MPa；大煤柱宽28 m时，煤柱峰值应力为22 MPa，大煤柱宽30 m时峰值应力为28 MPa。

图6 不同煤柱宽度垂直应力分布云图（单位：MPa）Fig.6 Vertical stress distribution of different coal pillar widths(unit:MPa)

图7 煤柱倾向垂直应力分布Fig.7 Side abutment pressure distribution of different coal pillar widths

图8 巷道垂直应力分布Fig.8 Vertical stress distribution of roadway under different coal pillar widths

（2）煤柱沿倾向方向上的垂直应力分布规律具有支承压力分布的特征。小煤柱宽6 m时，支承压力分布呈单驼峰形状；小煤柱宽8 m时，支承压力分布呈双驼峰形状；大煤柱宽28、30 m时，支承压力分布没有呈现出明显的呈双驼峰形状；小煤柱宽6 m时，垂直应力峰值集中系数为0.84，小煤柱宽由6 m增加为8 m时，垂直应力峰值集中系数由0.84变为8.6；大煤柱宽28 m时垂直应力峰值集中系数为1.79，大煤柱宽30 m时垂直应力峰值集中系数为1.93。

（3）工作面推进60 m处，工作面前方10 m处巷道沿倾向方向上垂直应力随着距离巷道中心线（以巷道中线为y 轴，靠近煤柱侧为负，远离煤柱侧为正）的距离增加而增加，巷道中心所处的应力值最小，最大值在巷道边缘处。小煤柱宽6 m时巷道垂直应力最大值为7.95 MPa，宽8 m时为8.28 MPa；大煤柱宽28 m时巷道垂直应力最大值为9.93 MPa，宽30 m时巷道垂直应力最大值为9.84 MPa。

由此可见，由于原岩应力为11.6 MPa，4种不同煤柱宽度，巷道都处在应力降低区内。然而，煤柱所处的应力分区则因煤柱宽度不同而不同：小煤柱宽6～8 m时，整个煤柱完全处在应力降低区内；大煤柱宽28时，煤柱上端0～8 m和靠近本工作面巷道侧煤柱下端0～3 m内为应力降低区，煤柱中间8～25 m内为应力增高区；大煤柱宽30时，煤柱上端0～8 m和靠近本工作面巷道侧煤柱下端0～5 m内为应力降低区，煤柱中间8～25 m为应力增高区。

5.2 不同煤柱宽度的位移场规律

图9、10分别为巷道在无支护状态下巷道顶底板和两帮相对移近量随煤柱宽度变化曲线。由图中可以看出，（1）巷道顶底板移近量沿走向方向随着据工作面距离增加而减小，靠近工作面处最大。巷道顶底板移近量随煤柱宽度的增加而减小，且当小煤柱宽6～8 m时，移近量最大值为1 200 mm，当大煤柱宽28～30 m时，移近量最大才280～300 mm；（2）巷道两帮移近量沿走向方向随着据工作面距离增加先增加而后减小，工作面处前方15 m处最大。巷道顶底板移近量随煤柱宽度的增加而减小，且当小煤柱宽6～8 m时，移近量最大为1 000 mm多，且当大煤柱宽28～30 m时，移近量最大才为380～400 mm。

图9 不同煤柱宽度巷道顶底板移近量Fig.9 Roof-to-floor convergence of roadway of different pillar widths

图10 不同煤柱宽度巷道两帮近量Fig.10 Convergence of lanes of different pillar widths

5.3 不同煤柱宽度的塑性破坏分布规律

为了得到煤柱在8104面采动影响下变形破坏情况，截取如图11所示的剖面，为不同煤柱宽度时煤层平面内煤体的破坏变形情况。

由图11中可以看出，（1）小煤柱宽6 m时，塑性破坏区沿煤柱倾向贯穿整个煤柱，煤柱破坏程度较严重，煤柱几乎无承载能力；小煤柱宽8 m时，塑性破坏区沿煤柱倾向几乎贯穿整个煤柱，但相比6 m小煤柱，破坏程度较稍轻，煤柱有少许承载能力。（2）大煤柱宽28 m时，塑性破坏区沿煤柱倾向未贯穿整个煤柱，煤柱中间有8～10 m的弹性核，煤柱具有较高的承载能力；大煤柱宽度为30 m时，塑性破坏区沿煤柱倾向未贯穿整个煤柱，煤柱中间有9～12 m的弹性核，煤柱承载能力较强。

图11 不同煤柱宽度塑性破坏特征Fig.11 The plastic fracture characteristics of different coal pillar widths

因此，大煤柱宽28～30 m时煤柱沿倾向方向上垂直应力先增大后减小，煤柱两侧均有一定宽度的塑性区，煤柱中间存在弹性核区；当煤柱宽度较小时为6～8 m时，虽煤柱内应力不高，但巷道周边的最大位移区域主要集中在煤柱帮部，巷道的水平位移远远大于大煤柱宽28～30 mm的位移，煤柱已经被压垮，几乎无承载能力，不能保证巷道的稳定性，同时，煤柱破坏严重，容易导致采空区漏风、残煤自燃。综合考虑资源回收、巷道稳定性、次生灾害控制等因素，确定大采高综放工作面区段煤柱合理宽度为28 m。

6 结论

（1）大采高综放面区段煤柱留设要以有利于提高资源回收率、保证巷道稳定、控制次生灾害和防止冲击地压为原则，侧支承压力分布规律和煤体完整性分区是确定大采高综放开采区段煤柱宽度合理留设方案的前提。

（2）8103面倾向支承压力应力降低区在巷帮侧6～8 m，应力增高区在8～28 m，原岩应力区在28 m外的范围，通过工程类比得出，倾向媒体破坏严重区为0～4 m。结合侧支承压力分布规律和煤体完整性分区初步确定4种煤柱留设方案（小煤柱6、8 m，大煤柱28、30 m）。

（3）运用FLAC3D模拟4种宽度煤柱在采动影响下巷道和煤柱应力场、位移场、塑性破坏场分布特征，并综合考虑资源回收、巷道稳定性、次生灾害控制等因素，确定大采高综放工作面区段煤柱合理宽度为28 m。

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