田建設(shè)，賈金兌，朱浩宇，廉開(kāi)元

(1.陜西能源小壕兔煤電有限公司，陜西 榆林 719053；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

深部煤層開(kāi)采條件下，礦壓顯現(xiàn)異常，沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害事故頻發(fā)，尤其是在煤柱寬度設(shè)計(jì)不合理的情況下，反而會(huì)給巷道安全生產(chǎn)帶來(lái)一定威脅[1]。如過(guò)大的區(qū)段煤柱內(nèi)部存在一定的彈性核區(qū)，煤柱內(nèi)應(yīng)力高度集中，一方面煤柱應(yīng)力向兩側(cè)巷道自由面進(jìn)行傳遞，造成臨空側(cè)巷道底鼓、片幫嚴(yán)重等，而另一方面受構(gòu)造、強(qiáng)采動(dòng)等客觀因素影響，彈性核所積聚的能量快速釋放[2]，表現(xiàn)為巷道瞬間彈起等動(dòng)力災(zāi)害，這種突然間的應(yīng)力釋放給工作人員生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。因此，深部高應(yīng)力區(qū)段煤柱留設(shè)合理性研究對(duì)于礦井安全生產(chǎn)具有至關(guān)重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外有許多專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)煤柱留設(shè)相關(guān)理論展開(kāi)了較為深入的研究，如孔德中等[3]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬方法對(duì)大采高綜放面區(qū)段煤柱寬度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明留設(shè)大煤柱(28m、30m)情況下，采動(dòng)應(yīng)力影響煤柱中央有一定的彈性核，煤柱及巷道穩(wěn)定性較高；石崇等[4]以付村煤礦為工程背景，研究了工作面采動(dòng)壓力影響下的區(qū)段煤柱尺寸，表明巷道布置在距離煤幫0～6m的應(yīng)力降低區(qū)較為合理，此時(shí)區(qū)段保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)3～5m，圍巖控制效果良好；祁和剛等[5]以葫蘆素礦井為背景，研究了區(qū)段煤柱集中載荷對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明目前工作面設(shè)計(jì)的30m區(qū)段煤柱在側(cè)向支承壓力的作用下會(huì)對(duì)底板巖層產(chǎn)生較大影響，造成巷道底鼓嚴(yán)重等現(xiàn)象；張杰等[6]采用數(shù)值模擬研究了不同留設(shè)煤柱寬度的煤柱應(yīng)力、塑性區(qū)分布特征，結(jié)果表明區(qū)段煤柱14m穩(wěn)定性更高，其應(yīng)力峰值小于煤層強(qiáng)度；張向陽(yáng)等[7]基于FLAC數(shù)值模擬研究了深井動(dòng)壓巷道群圍巖應(yīng)力分布及變形破壞特征，表明深部巷道群在單側(cè)工作面開(kāi)采時(shí)設(shè)計(jì)80m區(qū)段煤柱，圍巖受采動(dòng)影響較小；潘黎明[8]以黃玉川煤礦4#煤層為工程背景，研究了綜采工作面區(qū)段煤柱應(yīng)力分布規(guī)律，表明煤柱的破壞主要是由于工作面回采后采空區(qū)上覆巖層壓力的增幅造成的；譚凱[9]研究了察哈素煤礦厚煤層綜采工作面雙巷煤柱優(yōu)化問(wèn)題；來(lái)興平等研究提出了煤柱寬度預(yù)測(cè)的GRNN模型和PSO-SVM模型[10，11]。綜上研究可得，許多專(zhuān)家學(xué)者分別采用多種研究方法研究區(qū)段煤柱應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)合多種手段進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證所得區(qū)段煤柱寬度的合理性，取得了一定的成效，但仍對(duì)深部條件下的煤柱寬度合理性研究相對(duì)較少，仍需要展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

本文以園子溝煤礦1022101工作面為工程背景，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)不同煤柱寬度下的巷道穩(wěn)定性、應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行分析，提出該深部高應(yīng)力巷間煤柱留設(shè)建議，為類(lèi)似條件下煤柱寬度設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

園子溝煤礦目前主要開(kāi)采2#煤層，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，煤層厚度3.0～14.9m，夾矸1～2層，一般厚度0.1～0.6m，巖性均以泥巖或粉砂巖為主，頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1。根據(jù)煤層賦存特征，采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤法，全部垮落法管理采空區(qū)頂板。

表1 頂?shù)装鍘r性特征

1022101工作面長(zhǎng)約200m，巷道布置采用雙巷布置方式，工作面南側(cè)為進(jìn)風(fēng)運(yùn)輸巷及輔助運(yùn)輸巷，運(yùn)輸巷和輔助運(yùn)輸巷之間留設(shè)煤柱寬度為25m，巷道南側(cè)為1022102準(zhǔn)備工作面；工作面北側(cè)為回風(fēng)巷，一號(hào)回風(fēng)巷和二號(hào)回風(fēng)巷巷道間煤柱寬度為15m，巷道布置如圖1所示。1022101工作面運(yùn)輸機(jī)巷寬5.5m，凈斷面16.5m2，輔助運(yùn)輸巷寬5m，凈斷面17.5m2，巷道采用錨網(wǎng)索梁協(xié)同支護(hù)。

圖1 1022101工作面巷道布置(m)

工作面埋深達(dá)712～827m，屬于深部開(kāi)采，圍巖地應(yīng)力較高。由于礦井對(duì)于工作面回采影響下煤柱側(cè)圍巖應(yīng)力分布認(rèn)識(shí)不清，且缺乏深部高應(yīng)力條件下巷間煤柱合理寬度設(shè)計(jì)理論依據(jù)，對(duì)于煤柱寬度留設(shè)未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，如在運(yùn)輸巷巷間煤柱寬度設(shè)計(jì)為25m，回風(fēng)巷巷間煤柱寬度設(shè)計(jì)為15m。其留設(shè)25m大煤柱，不僅造成開(kāi)采過(guò)程中煤柱應(yīng)力高度集中，引起回采期間煤柱片幫、底鼓嚴(yán)重、沖擊地壓等圍巖災(zāi)變問(wèn)題，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，同時(shí)煤柱尺寸過(guò)大，也造成了煤炭資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，研究確定合理的煤柱尺寸勢(shì)在必行。

2 煤柱合理留設(shè)尺寸分析

煤層開(kāi)采后巷間煤柱所受支承壓力明顯增大，這一系列載荷主要是由于煤柱上覆巖層重量、煤柱一側(cè)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量所引起的[12]?；诖?，以園子溝煤礦1022101工作面為背景，建立煤柱承載力學(xué)模型，如圖2所示，運(yùn)用載荷估算法對(duì)煤層的承載狀態(tài)進(jìn)行分析，分析確定煤層的合理煤柱寬度。

圖2 煤柱載荷計(jì)算

計(jì)算模型如圖2所示，單位長(zhǎng)度煤柱載荷：

式中，B為煤柱寬度，m；D為采空區(qū)寬度，按巷道跨度計(jì)算，取5.5m；H為巷道埋深，取700m；δ為采空區(qū)上覆巖層跨落角，取45°；γ為上覆巖層平均體積力，取25kN/m3。

則煤柱單位面積的平均載荷即平均應(yīng)力：

煤柱穩(wěn)定性分析必須綜合考慮煤柱載荷及其強(qiáng)度[13]，因此在確定煤柱承載狀態(tài)后，其煤柱寬度必須保證煤柱的極限載荷σ不超過(guò)它的極限強(qiáng)度R，極限強(qiáng)度R為：

式中，R為煤柱極限強(qiáng)度，MPa；RC為煤的單軸抗壓強(qiáng)度，取15.65MPa；h為煤柱高度，取3.5m。

此時(shí)，園子溝煤礦滿足煤柱兩側(cè)只采一個(gè)工作面，煤柱寬度B滿足：

根據(jù)上述煤柱穩(wěn)定性計(jì)算條件，將參數(shù)代入式(4)可得，園子溝煤礦深部高應(yīng)力巷間煤柱寬度B≥12.878m時(shí)較為合理。

進(jìn)行煤柱尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)綜合考慮圍巖穩(wěn)定性等因素[14]。當(dāng)煤柱寬度逐漸減小時(shí)，最大支承壓力逐漸遠(yuǎn)離煤壁，煤壁破壞深度也隨之增大，圍巖變形破壞嚴(yán)重，因此應(yīng)適當(dāng)增加煤柱尺寸，合理的煤柱寬度不僅能滿足控制圍巖破壞的需求，也能控制深部煤體應(yīng)力集中引發(fā)的沖擊地壓災(zāi)害，故煤柱尺寸勢(shì)必不能過(guò)大。而園子溝煤礦煤層實(shí)際留設(shè)一側(cè)巷間煤柱寬度為25m，煤壁破壞深度較大，且導(dǎo)致巷道側(cè)向支承壓力增大，不利于巷道維護(hù)。因此，進(jìn)一步通過(guò)FLAC3D建立模型，模擬分析不同煤柱寬度下的應(yīng)力分布狀態(tài)，對(duì)于研究煤柱合理寬度具有積極的意義。

3 不同煤柱寬度的數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

依據(jù)園子溝煤礦1022101工作面地質(zhì)條件建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模型X方向長(zhǎng)550m，Y方向?qū)挾?00m(采煤方向)，Z方向高度131m。模型前后左右和底邊界均采用位移邊界進(jìn)行固定，上邊界施加17.5MPa的均布載荷，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾庫(kù)侖模型。考慮到實(shí)際安全需要，為確保多次采動(dòng)期間巷道圍巖也處于安全范圍內(nèi)，應(yīng)考慮回采期間完全無(wú)支護(hù)情況下的煤柱極限破壞情況，模擬無(wú)支護(hù)條件下即考慮圍巖承載及破壞情況均為最大值時(shí)，所確定的合理煤柱寬度在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)安全系數(shù)更高。

1022101工作面回采后，運(yùn)輸巷煤柱側(cè)垂直應(yīng)力分布情況如圖3所示。由圖3可知，1022101工作面回采后支承壓力峰值約為58MPa，該位置埋深約800m，原巖應(yīng)力約20MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.85。此時(shí)，運(yùn)輸巷煤柱側(cè)圍巖支承應(yīng)力峰值位置距離煤壁側(cè)為2～4m，如圖4所示，與現(xiàn)場(chǎng)松動(dòng)圈實(shí)測(cè)煤體破壞范圍約2m基本符合，所建模型模擬煤柱破壞情況與實(shí)際相符，展開(kāi)垂直應(yīng)力分布模擬結(jié)合較為準(zhǔn)確。

圖3 巷道煤柱側(cè)圍巖應(yīng)力分布

圖4 運(yùn)輸巷圍巖破壞范圍(左側(cè)為25m煤柱)

由圖3還可以看出，運(yùn)輸巷煤柱側(cè)圍巖側(cè)向支承壓力升高區(qū)主要位于0～10m內(nèi)，10m范圍外為應(yīng)力降低區(qū)，進(jìn)行煤柱寬度設(shè)計(jì)時(shí)同樣需將巷道布置于煤柱應(yīng)力降低區(qū)10m范圍外，與理論分析煤柱寬度大于12.9m基本相符。

3.2 不同煤柱寬度的垂直應(yīng)力分布

深部礦井開(kāi)采條件下，垂直應(yīng)力分布規(guī)律一定程度上可以反映圍巖應(yīng)力集中狀態(tài)，垂直應(yīng)力越大，圍巖應(yīng)力集中程度越大，煤柱側(cè)圍巖積聚的能力越大。煤柱寬度對(duì)于垂直應(yīng)力分布具有明顯的影響，煤柱寬度越大，煤體承載能力越強(qiáng)，所得應(yīng)力集中程度越大，越容易引發(fā)沖擊災(zāi)害，而煤柱寬度過(guò)小，承載能力減弱，越容易發(fā)生失穩(wěn)破壞[15]，故研究不同煤柱寬度下的垂直應(yīng)力分布狀態(tài)具有積極的意義。

根據(jù)前述模擬支承壓力分布情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道布置條件，建立FLAC3D雙巷布置及工作面回采數(shù)值模擬模型對(duì)留設(shè)不同尺寸的煤柱進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，煤柱寬度分別為7m、10m、13m、16m、19m、22m和25m，對(duì)此分析得出多次回采影響下的工作面前方5～10m峰值位置處煤柱側(cè)圍巖極限垂直應(yīng)力分布規(guī)律，如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出，一次采動(dòng)階段工作面前方煤柱沿傾向方向上的垂直應(yīng)力先增大后減小，煤柱寬度為7m、10m時(shí)的應(yīng)力峰值分別為21.4MPa、43.1MPa，此時(shí)煤柱整體位于應(yīng)力降低區(qū)，圍巖發(fā)生較大范圍的塑性破壞，應(yīng)力值降低；當(dāng)煤柱寬度增加到13m、16m時(shí)，應(yīng)力峰值達(dá)到56.3MPa，煤柱內(nèi)部一定范圍內(nèi)為應(yīng)力集中區(qū)域，但總體偏小；當(dāng)煤柱寬度增加到19m、22m、25m時(shí)，應(yīng)力峰值分別為56.7MPa、48MPa、43.2MPa，煤柱內(nèi)主垂直應(yīng)力呈不對(duì)稱(chēng)雙峰布置，煤柱內(nèi)部存在較大范圍的彈性核區(qū)，應(yīng)力集中程度相對(duì)較大，在具有沖擊傾向性的煤層中容易引發(fā)沖擊地壓等災(zāi)害。

由圖6可以看出，二次采動(dòng)階段工作面前方煤柱沿傾向方向上的垂直應(yīng)力先增大后減小。煤柱寬度為7m、10m、13m、16m時(shí)應(yīng)力峰值分別約為10MPa、20MPa、25MPa、40MPa，支承壓力分布呈單駝峰形狀；煤柱寬度為19m、22m、25m時(shí)應(yīng)力峰值分別約為70MPa、100MPa、118MPa，應(yīng)力值明顯增大，應(yīng)力高度集中，容易引發(fā)沖擊地壓等災(zāi)害。

由此可見(jiàn)，由于原巖應(yīng)力為17.5MPa，煤柱寬度7m、10m、13m時(shí)，巷道在多次采動(dòng)影響下煤柱側(cè)圍巖均位于應(yīng)力降低區(qū)；煤柱寬度為16m以上時(shí)，煤柱中間均存在一定的范圍為應(yīng)力集中區(qū)，容易引發(fā)造成沖擊地壓等災(zāi)害。

4 巷間煤柱合理寬度確定

綜上可知，煤柱尺寸為7～25m時(shí)，煤柱沿傾向方向垂直應(yīng)力先增大后減小，煤柱兩側(cè)均存在一定范圍的塑性區(qū)。當(dāng)煤柱尺寸為7m、10m時(shí)，煤柱整體上發(fā)生塑性破壞，煤柱已經(jīng)被壓垮，承載能力明顯降低，巷道穩(wěn)定性較差，易引發(fā)采空區(qū)漏風(fēng)，對(duì)于瓦斯防治、防滅火等均帶來(lái)不利影響；當(dāng)煤柱尺寸為16m、19m、22m、25m時(shí)，煤柱中間存在一定范圍的彈性核區(qū)，煤柱寬度越大，彈性核區(qū)積聚能量越多，更容易引發(fā)巷道圍巖發(fā)生底鼓、沖擊等次生圍巖災(zāi)害。

由圖4、圖7現(xiàn)場(chǎng)巷道圍巖松動(dòng)圈破壞范圍可得，運(yùn)輸巷25m煤柱側(cè)圍巖最大塑性破壞范圍為2.1m，回風(fēng)巷15m煤柱側(cè)圍巖最大塑性破壞范圍為2.2m，留設(shè)15m和25m煤柱情況下，煤柱破壞深度近似一致。且由實(shí)際調(diào)研可知，回采階段圍巖變形情況無(wú)明顯區(qū)別，無(wú)論25m煤柱還是15m煤柱，該側(cè)圍巖變形整體均處于可控范圍內(nèi)。

因此，在綜合考慮資源回收率、巷道圍巖穩(wěn)定性、次生災(zāi)害控制等因素的基礎(chǔ)上，確定園子溝煤礦深部高應(yīng)力巷間煤柱留設(shè)13～15m較為合理。

5 結(jié) 論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬、理論計(jì)算對(duì)園子溝煤礦1022101工作面巷間煤柱寬度合理性分析可得：

1)1022101工作面傾向支承壓力降低區(qū)在巷幫側(cè)10m范圍外，0～10m為應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力峰值位置為2～4m。

2)結(jié)合理論分析、側(cè)支承壓力分布規(guī)律分析，確定煤柱寬度為7m、10m時(shí)，煤柱整體發(fā)生壓垮破壞，而當(dāng)煤柱尺寸為16m、19m、22m、25m時(shí)，煤柱中間存在彈性核區(qū)，煤柱寬度越大，彈性核區(qū)積聚愈易引發(fā)巷道底鼓、沖擊等次生災(zāi)害。

3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)研，1022101工作面回采影響下回風(fēng)巷15m煤柱側(cè)、運(yùn)輸巷25m煤柱側(cè)圍巖變形破壞程度無(wú)明顯區(qū)別，在考慮資源回收率、巷道穩(wěn)定性、次生災(zāi)害控制的基礎(chǔ)上，明確園子溝煤礦深部高應(yīng)力雙巷布置工作面巷間留設(shè)13～15m煤柱較為合理。