二疊系厚煤層綜放工作面合理區段及停采煤柱留設寬度研究

張鄭偉

（晉能控股煤業集團有限公司同大科技研究院 山西 大同 037003）

關鍵字：厚煤層；綜放開采；區段煤柱；停采煤柱

1 概述

同發東周窯煤業目前主采二疊系山4#煤層，埋深約509 m，厚度約7.2 m，直接頂為炭質泥巖，底板為粉砂巖。綜放開采時采高為3.2 m，放煤厚度4.01 m，采放比約為1:1.2。煤層本身厚度變異性大，地質構造相對復雜，且目前區段煤柱及停采煤柱留設不合理，導致工作面礦壓顯現規律不清楚，煤炭資源損失嚴重等問題。為解決上述問題，本文運用理論分析、數值模擬的方法，在系統探究采空區側向支承壓力基礎上對沿空掘巷區段小煤柱的寬度及停采煤柱寬度進行優化[1-2]。

2 區段煤柱合理留設寬度研究

2.1 煤柱寬度留設的基本原則

（1）將巷道布局于圍巖應力較低的位置，以便于維護。

（2）提升煤炭回采率，減少資源的損失。

（3）隔離采空區，避免漏風發火。

（4）圍巖變形程度不影響安全生產。

（5）煤柱內不能存在大的彈性變形區，避免造成沖擊地壓。

2.2 采空區側向支承壓力理論分析

以彈塑性力學為基礎，結合東周窯井田現場實際，得出8103工作面側向支承應力分布規律，是小煤柱寬度選擇的重要依據。為便于研究，將煤巖體視作均質彈塑性體，并滿足摩爾庫倫屈服定律，煤巖極限強度區域x=x1段符合式（1）中邊界條件，建立模型如圖1[3-4]。

圖1 沿空掘巷實體煤幫力學模型

式中，σx、σy分別代表x、y軸向應力（MPa）；σy1代表煤柱的極限強度（MPa），β代表側壓系數，代表泊松比；α代表煤層傾角（°）。

圖中M：煤層厚度，τxy：煤層與上下巖層的剪應力，x1：巖體極限強度段寬度，Px：采空側支撐煤體的阻力，α：煤層傾角。

根據他人研究成果[5-6]，參考東周窯礦相關影響參數，可計算側壓系數β分別為0.9和1.5時煤厚所對應的應力降低區范圍，見圖2。

圖2 側向支承應力降低區范圍隨采厚變化圖

據上圖，當側壓系數β=1.5，開采厚度依次為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 時所對應的應力降低區范圍是5.36 m，6.68 m，8.02 m，9.37 m，10.69 m；當側壓系數β=0.9，不同開采厚度所對應的應力降低區范圍是3.20 m，4.00 m，4.81 m，5.63 m，6.41 m。這說明隨著開采厚度的增加，側向壓力峰值會向實體煤內側轉移。8103 工作面實際采厚約6.62 m，經計算可知應力降低區范圍大約在5.32 m至8.87 m之間。

2.3 合理煤柱留設寬度數值模擬

根據J27 柱狀圖，結合東周窯井田圍巖力學測試參數，運用FLAC3D軟件建立數值模型，此模型共設置為12層，網格數45 500個，模型的大小為500 m×200 m(X×Z)，模型的兩側約束x方向的位移，前后側約束y方向的位移，上部施加載荷，上、下側共同約束z方向的位移。在8102 工作面采空區右側煤層頂部埋設一條監測線，以此監測側向支承壓力的分布情況。

模擬初始開采8102 工作面，等開采穩定后，垂直應力云圖見圖3。

圖3 垂直應力分布云圖

結果表明，待計算達到平衡以后，采空區兩端呈現應力集中區域，靠近采空區邊緣局部區域形成應力降低區，將巷道布局于此有利于減輕巷道圍巖受力環境，便于巷道維護。

在采空區兩側一定距離出現了應力集中現象，而在最靠近采空區邊緣的位置出現了一定范圍的應力降低區。將巷道盡可能的布置于應力降低區域將會有效改善巷道的應力環境。采空區穩定后，側向支承應力分布情況見圖4。

圖4 采空區穩定后側向支承應力分布圖

據圖4 可知，山4#煤原巖應力約11.9 MPa，而采空區穩定后形成的應力降低區域是8 m。形成的集中應力峰值位于采空區端部14 m處，達到21.0 MPa。

綜上所述，適合將小煤柱寬度設計為5.32 m～8 m范圍內。下面將煤柱依次設計為6 m、7 m、8 m 時，根據模型計算得出結果見圖5。

圖5 不同寬度煤柱模擬示意圖

不同寬度的煤柱，對巷道來說其變形與受力情況如表1和表2所示。

表1 巷道變形量對比表

表2 巷道圍巖應力對比表

據上表顯示：選擇6 m煤柱時，巷道圍巖受力及變形情況顯著比選擇7 m 和8 m 寬度的煤柱時小一個數量級，因此，最終選擇留設6 m寬度的煤柱。

3 停采煤柱合理留設寬度研究

3.1 工作面回采設備長度的影響

8103工作面從端頭支架、破碎機到皮帶機頭等總長度130 m，而設備列車可以在輔運巷中回撤，此處不做考慮。同時需要考慮一定的富?？臻g，因而停采線與盤區膠帶巷的距離不小于140 m，此時煤壁中部與盤區回風巷相距78 m。

3.2 工作面超前支承壓力的影響

利用數值模擬的方法，在前文模型的基礎上進一步計算工作面超前支承壓力的分布規律，計算結果見圖6。

圖6 工作面周圍塑性區位置圖

由曲線知，在距煤壁18 m位置出現超前支承壓力峰值，高達27.7 MPa。超過煤壁50 m位置以后應力大小趨于原巖應力。由此可知受支承壓力影響的范圍在50 m之內。

3.3 工作面末采周期來壓的影響

工作面的停采位置基本位于來壓時和來壓后。若位于來壓時，如圖中停采位置1，此時基本頂沒有斷裂，工作面受到較強的壓力作用，如曲線2所示。若位于來壓后，如圖中停采位置2，此時的基本頂已經破斷，工作面所受壓力較小，如曲線1 所示，此時對回撤工作十分有利。

圖7 不同停采位置的應力分布圖

將停采線的位置根據周期來壓情況進行調整，避免其對收尾撤架工作造成不利影響?？紤]到設備長度與模擬計算結果，選擇將停采線設置在距盤區巷道80 m 處。圖8 中L 是最后一次來壓位置與理論最佳停采位置的距離，L取0.4～0.6倍周期來壓步距時，最有利撤架。根據現場末采實際周期來壓狀況，最終留設80 m停采煤柱。

圖8 停采線位置與周期來壓關系示意圖

4 結論

（1）結合東周窯礦8103 工作面現場情況，通過理論基礎分析，8103 工作面側向應力降低區范圍為5.32 m～8.87 m。

（2）數值模擬顯示，8102 工作面采空區穩定后應力降低區范圍為8 m。應力峰值位于距離采空區邊緣14 m的位置，達到21.0 MPa。

（3）綜合考慮東周窯礦5103 巷地質條件、支護形式，結合理論分析和數值模擬結果，將區段煤柱的合理寬度確定為6 m。

（4）通過分析工作面回采設備長度、超前支承壓力、末采周期來壓位置等因素對停采線位置選擇的影響，確定留設80 m停采煤柱能有效地實現工作面快速安全回撤。