李 峰

（山西三元福達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046300）

區(qū)段煤柱留設(shè)寬度一直是煤礦生產(chǎn)組織中的最重要參數(shù)，不同的煤層賦存條件、采煤方法及工藝對(duì)區(qū)段煤柱的留設(shè)均有不同的要求，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)煤礦主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。福達(dá)煤礦區(qū)段煤柱留設(shè)寬度一般在20 m 左右，不僅造成了煤炭資源的浪費(fèi)，還會(huì)在回采后的區(qū)段煤柱形成高應(yīng)力集中區(qū)域，易造成巷道圍巖變形、冒頂?shù)葐?wèn)題。因此，為提高煤炭資源采出率和降低工作面巷道支護(hù)難度，有必要對(duì)區(qū)段煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行研究和優(yōu)化[1-7]。

1 概況

15204 工作面總體為一走向NE、傾向NW 的單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀穩(wěn)定，煤層傾角10°左右。根據(jù)地質(zhì)資料及實(shí)際揭露情況，巷道圍巖無(wú)明顯的軟弱巖層，圍巖強(qiáng)度高且穩(wěn)定性好。15202 工作面運(yùn)輸巷距開(kāi)口600 m 處為X9 陷落柱影響區(qū)，對(duì)煤體完整性及區(qū)段煤柱留設(shè)構(gòu)成不利影響。15204 工作面平面位置如圖1。

圖1 15204 工作面平面示意圖

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

（1）煤體及頂板結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)15202 工作面運(yùn)輸巷鉆孔窺視資料，通過(guò)分析可知在距孔口0～6 m 范圍內(nèi)的砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖巖性較破碎，工作面回采過(guò)后易自然垮落。

15202 工作面運(yùn)輸巷鉆孔窺視結(jié)果如圖2。

圖2 15204 運(yùn)輸順槽窺視圖

（2）煤巖物理力學(xué)試驗(yàn)。分別在15202 工作面運(yùn)輸巷頂板上方10 m、18 m 處取芯進(jìn)行巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 福達(dá)頂板巖石力學(xué)性質(zhì)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，砂質(zhì)泥巖頂板整體完整性較好，抗壓強(qiáng)度平均35.566 MPa，石灰?guī)r頂板強(qiáng)度較高，平均抗壓強(qiáng)度達(dá)78.783 MPa。

3 煤柱合理留設(shè)寬度

煤柱的留設(shè)寬度主要與煤層所受壓力以及煤體強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)煤層埋藏深、厚度大、圍巖較軟時(shí)，煤柱承受的壓力就較大；而煤柱強(qiáng)度主要取決于煤層的物理力學(xué)性質(zhì)，并與煤柱的形狀尺寸、巷道的服務(wù)年限及支護(hù)情況有關(guān)。

區(qū)段保護(hù)煤柱的留設(shè)主要是考慮與采空區(qū)相鄰工作面巷道的支護(hù)問(wèn)題，其留設(shè)寬度主要與回采過(guò)程中煤柱塑性區(qū)的破壞范圍有關(guān)。一般而言，受采動(dòng)應(yīng)力影響，煤柱本身塑性破壞區(qū)會(huì)發(fā)生變化，塑性破壞區(qū)影響范圍越大，煤柱破壞越嚴(yán)重，也就越不利于巷道支護(hù)。根據(jù)回采后區(qū)段煤柱上方形成應(yīng)力的分布情況，應(yīng)盡量避免將回采巷道布置在應(yīng)力集中區(qū)附近，而留設(shè)區(qū)段小煤柱的目的就是把巷道布置在采空區(qū)邊緣低應(yīng)力區(qū)，以降低巷道支護(hù)強(qiáng)度，提高煤炭采出率。

區(qū)段煤柱極限平衡區(qū)寬度的計(jì)算公式如下：

式中：m為煤柱高度，取4 m；Px為錨桿對(duì)煤柱的側(cè)向阻力，取15 MPa；λ為塑性區(qū)邊界面的側(cè)壓系數(shù)，取1.5；σx、σy分別為沿x 軸和y 軸方向上的應(yīng)力，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，水平應(yīng)力取18 MPa，垂直應(yīng)力取12 MPa；K為塑性區(qū)邊界面應(yīng)力集中系數(shù)，取1.5；γ為上覆巖層平均容重，取為0.025 MN/m3；C0為煤層粘聚力，考慮到受15202 工作面超前支承壓力、側(cè)向支承壓力及15204 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)動(dòng)壓影響，其粘聚力應(yīng)低于物理力學(xué)測(cè)試結(jié)果，因此煤層粘聚力取2.5 MPa；H為煤柱埋深，取400 m；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取28°。

將各值代入上式得出，福達(dá)煤礦小煤柱留設(shè)范圍內(nèi)煤柱的極限平衡區(qū)的寬度為X1=1.65 m。

為避免殘余側(cè)向支承壓力對(duì)巷道圍巖影響，對(duì)護(hù)巷煤柱進(jìn)行錨桿（索）支護(hù)，因此，錨桿（索）長(zhǎng)度X2也是區(qū)段煤柱合理寬度影響因素之一。此外，考慮到其他影響區(qū)段煤柱未知因素，對(duì)區(qū)段煤柱設(shè)置一個(gè)安全系數(shù)X3。綜上，得到區(qū)段煤柱合理寬度公式如下：

B=X1+X2+X3（2）

式中：X1為煤柱塑性區(qū)寬度；X2為錨桿長(zhǎng)度，取2.4 m；X3為煤柱安全系數(shù)，一般取0.15～0.4（X1+X2）。

經(jīng)計(jì)算，區(qū)段煤柱合理寬度為B=4.7～5.7m，即15204 工作面合理小煤柱留設(shè)寬度為4.7～5.7 m。

4 數(shù)值模擬

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)福達(dá)煤礦小煤柱合理留設(shè)寬度進(jìn)行分析，分別模擬煤柱寬度4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 五種條件下煤柱及巷道圍巖塑性區(qū)變化及應(yīng)力環(huán)境，模擬結(jié)果如圖3 ～圖5。

圖3 不同尺寸煤柱圍巖塑性區(qū)分布圖

圖4 不同尺寸煤柱圍巖垂直應(yīng)力分布圖

圖5 不同尺寸煤柱圍巖水平應(yīng)力分布圖

由模擬結(jié)果可知，從塑性變形來(lái)看，隨著煤柱尺寸的增加，煤柱一直處于塑性區(qū)范圍內(nèi)，巷道圍巖塑性區(qū)破壞范圍逐漸降低，表明4～8 m 小煤柱均處在塑性變形區(qū)，但煤柱寬度的增大能夠在一定程度上降低巷道圍巖的塑性變形范圍。從圍巖應(yīng)力環(huán)境可以看出，巷道上幫以垂直應(yīng)力為主，在上幫的下部幫角位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中程度隨著煤柱寬度的增加逐步增大，當(dāng)煤柱寬度由4 m增加到8 m 時(shí)，垂直應(yīng)力峰值由7.2 MPa 增長(zhǎng)至16.7 MPa；底板以水平應(yīng)力為主，直接底主要呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，煤柱寬度7 m時(shí)底板水平應(yīng)力達(dá)到17.9 MPa峰值，煤柱寬度8 m 時(shí)水平應(yīng)力最低，為10.7 MPa，其余寬度煤柱時(shí)水平應(yīng)力在14 MPa 左右。

5 結(jié)論

（1）由煤巖物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可知，15204 工作面砂質(zhì)泥巖頂板整體完整性較好，抗壓強(qiáng)度平均35.566 MPa，石灰?guī)r頂板強(qiáng)度較高，平均抗壓強(qiáng)度達(dá)78.783 MPa。

（2）通過(guò)理論計(jì)算和采用數(shù)值模擬方法分析五種條件下煤柱的破壞特征及巷道應(yīng)力環(huán)境可知，小煤柱巷道上幫存在垂直應(yīng)力峰值區(qū)，主要位于下幫角處，隨著煤柱寬度的增加，應(yīng)力峰值逐漸增大；底板主要受水平壓應(yīng)力影響，應(yīng)力峰值基本在14 MPa 以上，且影響范圍較大，當(dāng)煤柱寬度為5 m 時(shí)，垂直應(yīng)力峰值水平較低，上幫影響程度較低，底板最大水平應(yīng)力影響范圍較小。結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，最終確定福達(dá)煤礦15#煤層15204 工作面小煤柱合理留設(shè)寬度為5 m。