小保當煤礦保護煤柱尺寸的研究

何 沐

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京100120）

1 概述

小保當一號井設計生產能力1500 萬t/a，主要可采煤層2-2 煤，屬近水平煤層，煤層厚度平均6.0 m，煤層傾角平均1°，埋深平均350m, 工作面長度350m，順槽長度6000m 左右，采煤方法為一次采全高。112201 工作面是小保當一號井的首采面，兩側均為實體煤，巷道與2-2 煤西翼回風大巷相連，112201工作面布置四條順槽巷道，膠運順槽、輔運順槽和兩條回風順槽，巷道尺寸為6.0×4.4m,大巷及工作面布置圖見圖1。

圖1 小保當煤礦巷道及回采工作面布置圖

小保當煤礦由于工作面采用雙U 通風方式，在回采巷道間存在保護煤柱，煤柱的大小直接影響了大斷面巷道的支護參數，因此需要提前確定回采巷道的煤柱尺寸，并且巷道尺寸較大，為了提高煤炭回采率，確保工作回采期間巷道的安全，需要合理的確定回采巷道之間的保護煤柱，以及回采巷道的支護方式，為以后巷道的支護提供合理的參考依據[1,2]。

2 煤柱尺寸理論計算

通過分析可知，最小的煤柱寬度應該是由煤柱的兩側的塑性區加上中部的核心區寬度，用公式（1）表達為：

式中：B 為區段煤柱寬度，m；x1和x3分別為煤柱兩側的塑性區寬度，m；x2為核區寬度，m。

采空區一側的塑性寬度我們有相應的計算公式，因此在另一側的塑性區寬度計算公式可以表示為：

式中：m 為煤層的開采厚度；φ 為煤層的內摩擦角；d 為開采擾動因子，d=1.5～3.0；C 為煤層的粘聚力；σ1為煤柱極限強度；σx為煤壁的側向約束應力；

β 為塑性區與核區界面處的側壓系數。[3,4]

圖2 合理煤柱寬度計算簡圖

根據對小保當一號井2-2 煤的特點分析和性能測試，根據相關成果，巷道高度取4.2m，采高定為5.95m，選取塑性區寬度計算的其他參數見表1。

按巷道高度計算得區段煤柱寬度B＝18.68m。

按采高計算得區段煤柱寬度B＝24.17m。

因此，合理的煤柱范圍為18.68～24.17m。

表1 計算參數選取表

3 煤柱應力分布規律數值模擬分析

3.1 數值模型

模型以小保當煤礦2-2 煤層條件為依據，模型尺寸為517m×350m×180m（如圖3 所示）。

圖3 數值模擬模型

為了研究留設不同煤柱寬度時，巷道狀態，本次試驗建立了3 個不同尺寸的煤柱模型。依次為112201 大采高綜采面2 個2-2 煤回風順槽之間留設15m、20m、25m 煤柱，右側2-2 煤回風順槽為留巷。

圖4 給出了煤層所在平面的工作面布置概況。圖4 中112201 大采高綜采面2 個2-2 煤回風順槽之間的煤柱分別為15m、20m、25m；左邊2-2 煤回風順槽左側為112201 工作面，約175m；右邊2-2 煤回風順槽右側為實體煤，寬度分別為315m、310m、305m。

工作面回采后，可以假定采空區的位移以工作面的中心為對稱軸，因此左側邊界取半個工作面寬度，以便施加固定位移邊界條件。本小節選擇圖4（a）中的A-A 截面作為研究對象。A-A 截面在模型中與X軸平行，坐標為Z=27，與工作面起始位置的距離為175m，可以避免工作面后方實體煤的影響。該位置的應力分布可以代表整個工作面大部分范圍的受力狀況。圖中-160m 表示112201 工作面距離A-A 截面處為160m，A-A 截面尚未開采；5m 表示112201 工作面已經采過A-A 截面5m，處于采空區內部5m，其余圖例中數字的意義可類推。112201 工作面對應的X軸坐標范圍為0-175，左側膠運順槽對應的X 軸坐標范圍為175-181，護巷煤柱對應的X 軸坐標范圍為181-196，右側輔運順槽對應的X 軸坐標范圍為196-202。

圖4 煤層平面工作面布置圖

3.2 15m 煤柱時工作面回采過程中煤層中部垂直應力分布

模擬了煤柱寬度15m 時112201 工作面回采過程中，A-A 截面處的垂直應力變化過程，從圖5 可以看到112201 工作面與A-A 截面距離為160m 時，A-A 截面處的垂直應力大致和原巖垂直應力相當，這說明在采煤工作面前方160m 以外區域，工作面的采動影響可以忽略不計。當距離為70m 時，A-A 截面處已經進入112201 工作面超前應力影響范圍，但超前應力值不高，僅超出原巖應力3.42MPa 左右。當距離為10m 時，A-A 截面處超前應力達到最大。當112201 工作面回采經過A-A 截面時，采煤工作面對應位置垂直應力開始下降，煤柱對應位置垂直應力明顯上升。當A-A 截面滯后工作面35m 時，A-A 截面上工作面對應位置成為采空區，垂直應力急劇降低，工作面中心應力為2.25MPa，右側煤柱垂直應力大幅度上升，其中煤柱最高應力達到38.04MPa；當滯后距離為65m 時，A-A 截面上對應的采空區垂直應力上升，在112201 工作面中心應力達到2.94MPa，這說明采空區冒落體正在經歷應變-硬化過程，右側煤柱垂直應力繼續上升；此后，這一趨勢一直持續到滯后距離大約125m，A-A 截面的垂直應力基本穩定下來，采空區最高應力達到4.43MPa，大約相當47.3%的原巖應力水平，煤柱應力達到20.6MPa，大約相當220%的原巖應力水平。

圖5 15m 煤柱時A-A 截面處垂直應力分布與工作面距離關系

3.3 20m 煤柱時工作面回采過程中煤層中部垂直應力分布

圖6 所示為煤柱寬度20m 時，112201 工作面回采過程中，A-A 截面處的垂直應力變化過程。由圖可知1 當距離為70m 時，A-A 截面處已經進入112201工作面超前應力影響范圍，但超前應力值不高，僅超出原巖應力2.84MPa 左右。當距離為10m 時，A-A 截面處超前應力達到最大，超前應力最大值為16.15MPa，超出原巖應力約6.78MPa，最大值出現在距護巷煤柱左側約9m 位置。

當112201 工作面回采經過A-A 截面時，采煤工作面對應位置垂直應力開始下降，煤柱對應位置垂直應力明顯上升。當A-A 截面滯后工作面35m 時，A-A 截面上工作面對應位置成為采空區，垂直應力急劇降低，工作面中心應力為2.27MPa，右側煤柱垂直應力大幅度上升，其中煤柱最高應力達到28.62MPa；當滯后距離為65m 時，A-A 截面上對應的采空區垂直應力上升，在112201 工作面中心應力達到2.97MPa，這說明采空區冒落體正在經歷應變-硬化過程，右側煤柱垂直應力繼續上升；此后，這一趨勢一直持續到滯后距離大約155m，A-A 截面采空區最高應力達到5.24MPa，大約相當55.9%的原巖應力水平，煤柱應力達到35.14MPa，大約相當375%的原巖應力水平。

圖6 20m 煤柱時A-A 截面處垂直應力分布與工作面距離關系

3.4 25m 煤柱時工作面回采過程中煤層中部垂直應力分布

圖7 所示為煤柱寬度25m 時，112201 工作面回采過程中，A-A 截面處的垂直應力變化過程。由圖可知當距離為40m 時，A-A 截面處已經進入112201 工作面超前應力影響范圍，但超前應力值不高，僅超出原巖應力3.78MPa 左右。當距離為10m 時，A-A 截面處超前應力達到最大，超前應力最大值為15.66MPa，超出原巖應力約6.29MPa，最大值出現在距護巷煤柱左側約9m 位置。

當112201 工作面回采經過A-A 截面時，采煤工作面對應位置垂直應力開始下降，煤柱對應位置垂直應力明顯上升。當A-A 截面滯后工作面5m時，A-A 截面上工作面對應位置成為采空區，垂直應力急劇降低，工作面中心應力為1.01MPa，右側煤柱垂直應力大幅度上升，其中煤柱最高應力達到18.00MPa；當滯后距離為35m 時，A-A 截面上對應的采空區垂直應力上升，在112201 工作面中心應力達到2.10MPa，這說明采空區冒落體正在經歷應變- 硬化過程，右側煤柱垂直應力繼續上升；此后，這一趨勢一直持續到滯后距離大約155mm，A-A 截面采空區最高應力達到4.61MPa，大約相當49.2%的原巖應力水平，煤柱應力達到34.24MPa，大約相當365%的原巖應力水平。

圖7 25m 煤柱時A-A 截面處垂直應力分布與工作面距離關系

4 煤柱尺寸合理范圍

對現場的條件進行分析后，采用采礦工程設計手冊計算出的煤柱尺寸明顯偏大，通過采用安全系數法和極限平衡理論兩種思路分析護巷煤柱范圍為18.68～24.17m[6]，同前文的數值模擬可以看出，我們分別模擬了15m 煤柱，20m 煤柱，25m 煤柱的應力分布特點，同時對應各煤柱中的彈塑性區分布進行了分析，可以看出，20m 煤柱時，煤柱中間具有一定的彈性區，具有一定的富裕支護強度，同時結合周圍礦井的開采實例，小保當煤柱的運輸巷和軌道巷的煤柱尺寸按照20m 進行留設。

需要指出的是，對于輔運巷這種二次復用巷道普遍存在巷道底鼓問題，因此，在復用之前一般都要進行起底處理[8]。另外，二次動壓巷道的穩定性與煤柱尺寸和巷道的支護形式都密切相關。因此煤柱尺寸的優化和二次動壓巷道支護技術的研究同等重要[7]。

通過數值模擬分析，在隨著煤柱寬度增加，A-A煤柱區域應力顯示降低趨勢，但20m 和25m 煤柱的應力最大值相似，煤柱中間均出現彈性區，具有一定的富裕支護強度[9]，同時結合周圍礦井的開采實例和理論分析，綜合確定小保當煤柱的運輸巷和軌道巷的煤柱尺寸按照20m 進行留設。