郭騰飛

（山西壽陽潞陽瑞龍煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

近距離煤層群開采在我國是較常見的開采方式。由于煤層間距較小，煤層之間的應力環(huán)境更加復雜，近距離煤層群的開采比單一煤層開采的難度更大。近距離煤層群多采用下行開采方式，即先開采上層煤，再開采下層煤。一般上層煤開采之后形成的采空區(qū)，連同受破壞的底板共同作為下層煤的頂板，因此下層煤頂板完整性較差，巷道布置、回采期間的頂板控制難度較大［1-2］。

針對近距離煤層開采，國內外學者進行了大量研究，徐青云等人對近距離煤層底板應力傳播規(guī)律進行了分析，為下層煤巷道布置提供了理論依據(jù)；戴文祥等人根據(jù)近距離煤層應力傳遞特征，對下層煤沿空掘巷留小煤柱合理寬度進行了研究；張百勝等人對極近距離煤層頂板穩(wěn)定性進行了分類，對下層煤巷道圍巖控制技術進行了研究［3-5］。

為優(yōu)化巷道布置，提高安全生產效率，以山西瑞龍煤礦150108工作面為研究背景，采用理論分析、數(shù)值模擬等方法對近距離下層煤工作面煤柱留設寬度進行探討。

1 工程背景

圖1 工作面頂板柱狀圖

圖2 150108工作面區(qū)域剖面布置

山西瑞龍煤礦開采煤層為15#和15#下煤層，兩煤層間距為1.3～6.9 m，煤層頂?shù)装鍡l件如圖1所示。目前15#煤已開采完畢，15#下煤層共布置有3個工作面，150107工作面已回采完畢，150109工作面巷道已掘進完成，即將開采，150108工作面位于兩工作面中間，為孤島工作面。150108工作面面長273 m，靠150107側布置軌道順槽，靠150109側布置膠帶順槽，圖2為工作面區(qū)域剖面布置圖。15#下煤層平均厚度為4.5 m，傾角平均為8°，埋深平均為350 m。

2 煤柱留設寬度

2.1 煤柱受力分析

150108工作面為近距離煤層孤島工作面，頂板完整性較差，并且孤島工作面巷道壓力較大，圍巖穩(wěn)定性較差。孤島工作面顯著特征是上下兩側全部為采空區(qū)，在工作面實體煤內形成了較大的側向應力集中區(qū)域，在此區(qū)域內巷道掘進和支護難度較大，因此合理的煤柱寬度有利于降低巷道未來的掘進難度。

通常煤柱留設寬度越大，越能夠削弱煤柱應力集中作用，但是過大的煤柱尺寸將造成煤炭資源浪費。目前煤柱留設主要有兩種方法，一種為留小煤柱沿空掘巷，另一種為留設寬煤柱護巷。留小煤柱護巷是將煤柱布置在巷道側向的內應力場中，雖然應力集中現(xiàn)象減弱，但巷道仍處于應力增高區(qū)，不利于控制巷道圍巖變形。寬煤柱有利于巷道的維護，但煤柱越寬，煤炭資源損失就越大，因此需綜合分析煤柱寬度［6］。

2.2 數(shù)值模擬分析

為確定150108工作面煤柱的合理尺寸，根據(jù)工作面實際條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模擬模型。模型劃分為7層，為研究工作面順槽合理煤柱尺寸留設問題，對模型進行適當簡化：模型尺寸為740 m×50 m×35 m，數(shù)值模型劃分為28 600個單元，33 143個節(jié)點。

數(shù)值模擬過程中主要如下：首先模擬開采15#煤150101工作面以及15#下煤150107工作面，工作面開采完畢后，掘進150108工作面軌道順槽；然后模擬開采15#煤150102工作面以及15#下煤150109工作面，工作面開采完畢后，掘進150108工作面膠帶。通過分析兩側煤柱寬度分別為8 m、20 m、25 m、30 m時兩順槽巷道的圍巖塑性區(qū)、圍巖位移等，確定合理的煤柱寬度。

圖3為15#煤150101工作面和15#下煤150107工作面開挖之后的側向垂直應力分布云圖，從圖中可以看出，150107工作面開挖后，工作面?zhèn)认虺霈F(xiàn)了明顯的應力集中現(xiàn)象，且煤柱內垂直應力值隨距采空區(qū)邊界水平距離呈現(xiàn)出先增大后減小，最后逐漸穩(wěn)定的變化趨勢。垂直應力峰值出現(xiàn)在采空區(qū)外4 m左右位置，采空區(qū)20 m以外逐漸進入原巖應力區(qū)，其中應力集中區(qū)垂直應力最大值為20.8 MPa，趨于穩(wěn)定后垂直應力為8.85 MPa。

圖3 側向支承壓力分布云圖

表1 不同煤柱寬度條件下150108工作面

圖4及表1為不同煤柱尺寸（8 m、20 m、25 m、30 m）條件下的圍巖變形和塑形區(qū)分布情況。從中可以看出，軌道順槽的變形量隨著煤柱尺寸的逐漸增加而呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，當煤柱尺寸為8 m時，變形量最大，兩幫移近量112 mm，頂?shù)装逡平?72 mm；塑性區(qū)分布范圍同樣隨著煤柱尺寸的逐漸增加而呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，煤柱尺寸為8 m時，塑性區(qū)分布范圍最大。

圖4 軌道順槽塑性區(qū)分布

綜合塑性區(qū)和巷道圍巖變形情況等因素，可以看出，采用留小煤柱方法巷道圍巖變形較大，巷道位于應力集中區(qū)內，不利于巷道圍巖穩(wěn)定。根據(jù)數(shù)值模擬情況，煤柱留設寬度為25 m和30 m時，圍巖變形與塑性區(qū)范圍基本相同，因此確定150108軌道順槽與150107工作面采空區(qū)間留設25 m凈煤柱。

圖5 側向支承壓力分布云圖

圖5為15#煤150102工作面 和15#下煤150109工作面開挖之后的側向垂直應力分布云圖，從圖中可以看出，150102工作面和150109工作面開挖后，在工作面?zhèn)认虿]有出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象，主要是由于這部分區(qū)域正好位于150102工作面采空區(qū)下方的應力卸壓區(qū)，故150109工作面?zhèn)却怪睉χ灯毡檩^小，其中垂直應力值最大值為8.54 kPa，垂直應力值最小值為0.34 kPa。將150108工作面膠帶順槽布置在此區(qū)域內，受150109工作面采動影響較小。

圖6 膠帶順槽塑性區(qū)分布

圖6及表2為15#煤150102工作面和15#下煤150109工作面開挖之后，150108工作面膠帶順槽在不同煤柱尺寸（8 m、20 m、25 m、30 m）條件下的圍巖變形和塑形區(qū)分布情況。根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)，膠帶順槽圍巖變形量隨著煤柱尺寸的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，當煤柱尺寸大于20 m時，順槽變形量幾乎穩(wěn)定在一個值，煤柱尺寸為8 m時，變形量最大，兩幫移近量為134 mm，頂?shù)装逡平繛?33 mm。塑性區(qū)分布范圍同樣隨著煤柱尺寸增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，當煤柱尺寸大于20 m時，塑性區(qū)分布范圍幾乎保持不變，煤柱尺寸為8 m時，塑性區(qū)分布范圍最大。

綜合塑性區(qū)和巷道圍巖變形情況等因素，可以看出，采用留小煤柱方法巷道圍巖變形較大，容易與150109工作面采空區(qū)貫通，不利于巷道圍巖穩(wěn)定。根據(jù)數(shù)值模擬情況，煤柱留設寬度為20 m、25 m和30 m時，圍巖變形與塑性區(qū)范圍基本相同，因此確定150108膠帶順槽與150109工作面采空區(qū)間留設20 m凈煤柱。

表2 不同煤柱寬度條件下150108工作面膠帶順槽變形情況統(tǒng)計

3 應用效果

根據(jù)上述分析，最終確定150108工作面兩側煤柱寬度分別為25 m、20 m。目前150108工作面軌道順槽與膠帶順槽已開始掘進，截至2022年1月軌道順槽已掘進740 m，對巷道圍巖位移情況進行監(jiān)測，順槽巷道圍巖變形情況如圖7所示。從圖中可以看出，巷道圍巖穩(wěn)定，巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?5 mm，兩幫移近量最大為132 mm，圍巖變形較小，因此該煤柱寬度能夠滿足現(xiàn)場要求。

圖7 巷道圍巖變形情況

4 結論

1）采用理論分析、數(shù)值模擬等方法對150108工作面兩順槽巷道煤柱合理寬度進行了探討，認為采用留小煤柱方法不利于巷道圍巖穩(wěn)定，最終確定150108軌道順槽與150107采空區(qū)煤柱寬度為25 m，150108膠帶順槽與150109工作面采空區(qū)煤柱寬度為20 m。

2）通過150108工作面現(xiàn)場應用并對兩順槽巷道進行礦壓監(jiān)測表明，巷道圍巖穩(wěn)定，巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?5 mm，兩幫移近量最大為132 mm，圍巖變形較小，該煤柱寬度能夠滿足現(xiàn)場要求。