近距离煤层孤岛工作面两侧煤柱留设宽度探讨

郭腾飞

（山西寿阳潞阳瑞龙煤业有限公司，山西 寿阳 045400）

近距离煤层群开采在我国是较常见的开采方式。由于煤层间距较小，煤层之间的应力环境更加复杂，近距离煤层群的开采比单一煤层开采的难度更大。近距离煤层群多采用下行开采方式，即先开采上层煤，再开采下层煤。一般上层煤开采之后形成的采空区，连同受破坏的底板共同作为下层煤的顶板，因此下层煤顶板完整性较差，巷道布置、回采期间的顶板控制难度较大［1-2］。

针对近距离煤层开采，国内外学者进行了大量研究，徐青云等人对近距离煤层底板应力传播规律进行了分析，为下层煤巷道布置提供了理论依据；
戴文祥等人根据近距离煤层应力传递特征，对下层煤沿空掘巷留小煤柱合理宽度进行了研究；
张百胜等人对极近距离煤层顶板稳定性进行了分类，对下层煤巷道围岩控制技术进行了研究［3-5］。

为优化巷道布置，提高安全生产效率，以山西瑞龙煤矿150108工作面为研究背景，采用理论分析、数值模拟等方法对近距离下层煤工作面煤柱留设宽度进行探讨。

图1 工作面顶板柱状图

图2 150108工作面区域剖面布置

山西瑞龙煤矿开采煤层为15#和15#下煤层，两煤层间距为1.3～6.9 m，煤层顶底板条件如图1所示。目前15#煤已开采完毕，15#下煤层共布置有3个工作面，150107工作面已回采完毕，150109工作面巷道已掘进完成，即将开采，150108工作面位于两工作面中间，为孤岛工作面。150108工作面面长273 m，靠150107侧布置轨道顺槽，靠150109侧布置胶带顺槽，图2为工作面区域剖面布置图。15#下煤层平均厚度为4.5 m，倾角平均为8°，埋深平均为350 m。

2.1 煤柱受力分析

150108工作面为近距离煤层孤岛工作面，顶板完整性较差，并且孤岛工作面巷道压力较大，围岩稳定性较差。孤岛工作面显著特征是上下两侧全部为采空区，在工作面实体煤内形成了较大的侧向应力集中区域，在此区域内巷道掘进和支护难度较大，因此合理的煤柱宽度有利于降低巷道未来的掘进难度。

通常煤柱留设宽度越大，越能够削弱煤柱应力集中作用，但是过大的煤柱尺寸将造成煤炭资源浪费。目前煤柱留设主要有两种方法，一种为留小煤柱沿空掘巷，另一种为留设宽煤柱护巷。留小煤柱护巷是将煤柱布置在巷道侧向的内应力场中，虽然应力集中现象减弱，但巷道仍处于应力增高区，不利于控制巷道围岩变形。宽煤柱有利于巷道的维护，但煤柱越宽，煤炭资源损失就越大，因此需综合分析煤柱宽度［6］。

2.2 数值模拟分析

为确定150108工作面煤柱的合理尺寸，根据工作面实际条件，采用FLAC3D数值模拟软件，建立数值模拟模型。模型划分为7层，为研究工作面顺槽合理煤柱尺寸留设问题，对模型进行适当简化：模型尺寸为740 m×50 m×35 m，数值模型划分为28 600个单元，33 143个节点。

数值模拟过程中主要如下：首先模拟开采15#煤150101工作面以及15#下煤150107工作面，工作面开采完毕后，掘进150108工作面轨道顺槽；
然后模拟开采15#煤150102工作面以及15#下煤150109工作面，工作面开采完毕后，掘进150108工作面胶带。通过分析两侧煤柱宽度分别为8 m、20 m、25 m、30 m时两顺槽巷道的围岩塑性区、围岩位移等，确定合理的煤柱宽度。

图3为15#煤150101工作面和15#下煤150107工作面开挖之后的侧向垂直应力分布云图，从图中可以看出，150107工作面开挖后，工作面侧向出现了明显的应力集中现象，且煤柱内垂直应力值随距采空区边界水平距离呈现出先增大后减小，最后逐渐稳定的变化趋势。垂直应力峰值出现在采空区外4 m左右位置，采空区20 m以外逐渐进入原岩应力区，其中应力集中区垂直应力最大值为20.8 MPa，趋于稳定后垂直应力为8.85 MPa。

图3 侧向支承压力分布云图

表1 不同煤柱宽度条件下150108工作面

图4及表1为不同煤柱尺寸（8 m、20 m、25 m、30 m）条件下的围岩变形和塑形区分布情况。从中可以看出，轨道顺槽的变形量随着煤柱尺寸的逐渐增加而呈现出逐渐减小的趋势，当煤柱尺寸为8 m时，变形量最大，两帮移近量112 mm，顶底板移近量172 mm；
塑性区分布范围同样随着煤柱尺寸的逐渐增加而呈现出逐渐减小的趋势，煤柱尺寸为8 m时，塑性区分布范围最大。

图4 轨道顺槽塑性区分布

综合塑性区和巷道围岩变形情况等因素，可以看出，采用留小煤柱方法巷道围岩变形较大，巷道位于应力集中区内，不利于巷道围岩稳定。根据数值模拟情况，煤柱留设宽度为25 m和30 m时，围岩变形与塑性区范围基本相同，因此确定150108轨道顺槽与150107工作面采空区间留设25 m净煤柱。

图5 侧向支承压力分布云图

图5为15#煤150102工作面 和15#下煤150109工作面开挖之后的侧向垂直应力分布云图，从图中可以看出，150102工作面和150109工作面开挖后，在工作面侧向并没有出现明显的应力集中现象，主要是由于这部分区域正好位于150102工作面采空区下方的应力卸压区，故150109工作面侧垂直应力值普遍较小，其中垂直应力值最大值为8.54 kPa，垂直应力值最小值为0.34 kPa。将150108工作面胶带顺槽布置在此区域内，受150109工作面采动影响较小。

图6 胶带顺槽塑性区分布

图6及表2为15#煤150102工作面和15#下煤150109工作面开挖之后，150108工作面胶带顺槽在不同煤柱尺寸（8 m、20 m、25 m、30 m）条件下的围岩变形和塑形区分布情况。根据图表中的数据，胶带顺槽围岩变形量随着煤柱尺寸的增加呈现出逐渐减小的趋势，当煤柱尺寸大于20 m时，顺槽变形量几乎稳定在一个值，煤柱尺寸为8 m时，变形量最大，两帮移近量为134 mm，顶底板移近量为133 mm。塑性区分布范围同样随着煤柱尺寸增加呈现出逐渐减小的趋势，当煤柱尺寸大于20 m时，塑性区分布范围几乎保持不变，煤柱尺寸为8 m时，塑性区分布范围最大。

综合塑性区和巷道围岩变形情况等因素，可以看出，采用留小煤柱方法巷道围岩变形较大，容易与150109工作面采空区贯通，不利于巷道围岩稳定。根据数值模拟情况，煤柱留设宽度为20 m、25 m和30 m时，围岩变形与塑性区范围基本相同，因此确定150108胶带顺槽与150109工作面采空区间留设20 m净煤柱。

表2 不同煤柱宽度条件下150108工作面胶带顺槽变形情况统计

根据上述分析，最终确定150108工作面两侧煤柱宽度分别为25 m、20 m。目前150108工作面轨道顺槽与胶带顺槽已开始掘进，截至2022年1月轨道顺槽已掘进740 m，对巷道围岩位移情况进行监测，顺槽巷道围岩变形情况如图7所示。从图中可以看出，巷道围岩稳定，巷道顶底板移近量最大为95 mm，两帮移近量最大为132 mm，围岩变形较小，因此该煤柱宽度能够满足现场要求。

图7 巷道围岩变形情况

1）采用理论分析、数值模拟等方法对150108工作面两顺槽巷道煤柱合理宽度进行了探讨，认为采用留小煤柱方法不利于巷道围岩稳定，最终确定150108轨道顺槽与150107采空区煤柱宽度为25 m，150108胶带顺槽与150109工作面采空区煤柱宽度为20 m。

2）通过150108工作面现场应用并对两顺槽巷道进行矿压监测表明，巷道围岩稳定，巷道顶底板移近量最大为95 mm，两帮移近量最大为132 mm，围岩变形较小，该煤柱宽度能够满足现场要求。

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