張鄭偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司同大科技研究院 山西 大同 037003）

關(guān)鍵字：厚煤層；綜放開采；區(qū)段煤柱；停采煤柱

1 概述

同發(fā)東周窯煤業(yè)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(zhì)泥巖，底板為粉砂巖。綜放開采時(shí)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(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜，且目前區(qū)段煤柱及停采煤柱留設(shè)不合理，導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不清楚，煤炭資源損失嚴(yán)重等問題。為解決上述問題，本文運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬的方法，在系統(tǒng)探究采空區(qū)側(cè)向支承壓力基礎(chǔ)上對沿空掘巷區(qū)段小煤柱的寬度及停采煤柱寬度進(jìn)行優(yōu)化[1-2]。

2 區(qū)段煤柱合理留設(shè)寬度研究

2.1 煤柱寬度留設(shè)的基本原則

（1）將巷道布局于圍巖應(yīng)力較低的位置，以便于維護(hù)。

（2）提升煤炭回采率，減少資源的損失。

（3）隔離采空區(qū)，避免漏風(fēng)發(fā)火。

（4）圍巖變形程度不影響安全生產(chǎn)。

（5）煤柱內(nèi)不能存在大的彈性變形區(qū)，避免造成沖擊地壓。

2.2 采空區(qū)側(cè)向支承壓力理論分析

以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合東周窯井田現(xiàn)場實(shí)際，得出8103工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力分布規(guī)律，是小煤柱寬度選擇的重要依據(jù)。為便于研究，將煤巖體視作均質(zhì)彈塑性體，并滿足摩爾庫倫屈服定律，煤巖極限強(qiáng)度區(qū)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(shí)體煤幫力學(xué)模型

式中，σx、σy分別代表x、y軸向應(yīng)力（MPa）；σy1代表煤柱的極限強(qiáng)度（MPa），β代表側(cè)壓系數(shù)，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(yīng)力，x1：巖體極限強(qiáng)度段寬度，Px：采空側(cè)支撐煤體的阻力，α：煤層傾角。

根據(jù)他人研究成果[5-6]，參考東周窯礦相關(guān)影響參數(shù)，可計(jì)算側(cè)壓系數(shù)β分別為0.9和1.5時(shí)煤厚所對應(yīng)的應(yīng)力降低區(qū)范圍，見圖2。

圖2 側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)范圍隨采厚變化圖

據(jù)上圖，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)β=1.5，開采厚度依次為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)力降低區(qū)范圍是5.36 m，6.68 m，8.02 m，9.37 m，10.69 m；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)β=0.9，不同開采厚度所對應(yīng)的應(yīng)力降低區(qū)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(cè)向壓力峰值會(huì)向?qū)嶓w煤內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)移。8103 工作面實(shí)際采厚約6.62 m，經(jīng)計(jì)算可知應(yīng)力降低區(qū)范圍大約在5.32 m至8.87 m之間。

2.3 合理煤柱留設(shè)寬度數(shù)值模擬

根據(jù)J27 柱狀圖，結(jié)合東周窯井田圍巖力學(xué)測試參數(shù)，運(yùn)用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，此模型共設(shè)置為12層，網(wǎng)格數(shù)45 500個(gè)，模型的大小為500 m×200 m(X×Z)，模型的兩側(cè)約束x方向的位移，前后側(cè)約束y方向的位移，上部施加載荷，上、下側(cè)共同約束z方向的位移。在8102 工作面采空區(qū)右側(cè)煤層頂部埋設(shè)一條監(jiān)測線，以此監(jiān)測側(cè)向支承壓力的分布情況。

模擬初始開采8102 工作面，等開采穩(wěn)定后，垂直應(yīng)力云圖見圖3。

圖3 垂直應(yīng)力分布云圖

結(jié)果表明，待計(jì)算達(dá)到平衡以后，采空區(qū)兩端呈現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，靠近采空區(qū)邊緣局部區(qū)域形成應(yīng)力降低區(qū)，將巷道布局于此有利于減輕巷道圍巖受力環(huán)境，便于巷道維護(hù)。

在采空區(qū)兩側(cè)一定距離出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在最靠近采空區(qū)邊緣的位置出現(xiàn)了一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)。將巷道盡可能的布置于應(yīng)力降低區(qū)域?qū)?huì)有效改善巷道的應(yīng)力環(huán)境。采空區(qū)穩(wěn)定后，側(cè)向支承應(yīng)力分布情況見圖4。

圖4 采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承應(yīng)力分布圖

據(jù)圖4 可知，山4#煤原巖應(yīng)力約11.9 MPa，而采空區(qū)穩(wěn)定后形成的應(yīng)力降低區(qū)域是8 m。形成的集中應(yīng)力峰值位于采空區(qū)端部14 m處，達(dá)到21.0 MPa。

綜上所述，適合將小煤柱寬度設(shè)計(jì)為5.32 m～8 m范圍內(nèi)。下面將煤柱依次設(shè)計(jì)為6 m、7 m、8 m 時(shí)，根據(jù)模型計(jì)算得出結(jié)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(yīng)力對比表

據(jù)上表顯示：選擇6 m煤柱時(shí)，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(shí)小一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，最終選擇留設(shè)6 m寬度的煤柱。

3 停采煤柱合理留設(shè)寬度研究

3.1 工作面回采設(shè)備長度的影響

8103工作面從端頭支架、破碎機(jī)到皮帶機(jī)頭等總長度130 m，而設(shè)備列車可以在輔運(yùn)巷中回撤，此處不做考慮。同時(shí)需要考慮一定的富裕空間，因而停采線與盤區(qū)膠帶巷的距離不小于140 m，此時(shí)煤壁中部與盤區(qū)回風(fēng)巷相距78 m。

3.2 工作面超前支承壓力的影響

利用數(shù)值模擬的方法，在前文模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算工作面超前支承壓力的分布規(guī)律，計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 工作面周圍塑性區(qū)位置圖

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

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(shí)和來壓后。若位于來壓時(shí)，如圖中停采位置1，此時(shí)基本頂沒有斷裂，工作面受到較強(qiáng)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(shí)的基本頂已經(jīng)破斷，工作面所受壓力較小，如曲線1 所示，此時(shí)對回撤工作十分有利。

圖7 不同停采位置的應(yīng)力分布圖

將停采線的位置根據(jù)周期來壓情況進(jìn)行調(diào)整，避免其對收尾撤架工作造成不利影響?？紤]到設(shè)備長度與模擬計(jì)算結(jié)果，選擇將停采線設(shè)置在距盤區(qū)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(shí)，最有利撤架。根據(jù)現(xiàn)場末采實(shí)際周期來壓狀況，最終留設(shè)80 m停采煤柱。

圖8 停采線位置與周期來壓關(guān)系示意圖

4 結(jié)論

（1）結(jié)合東周窯礦8103 工作面現(xiàn)場情況，通過理論基礎(chǔ)分析，8103 工作面?zhèn)认驊?yīng)力降低區(qū)范圍為5.32 m～8.87 m。

（2）數(shù)值模擬顯示，8102 工作面采空區(qū)穩(wěn)定后應(yīng)力降低區(qū)范圍為8 m。應(yīng)力峰值位于距離采空區(qū)邊緣14 m的位置，達(dá)到21.0 MPa。

（3）綜合考慮東周窯礦5103 巷地質(zhì)條件、支護(hù)形式，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，將區(qū)段煤柱的合理寬度確定為6 m。

（4）通過分析工作面回采設(shè)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(shè)80 m停采煤柱能有效地實(shí)現(xiàn)工作面快速安全回撤。