馬宏飛，段洋洋，靳毅軍，王學(xué)敏

(1.沁和能源集團(tuán)有限公司，山西 晉城市 048205；2.慈林山煤業(yè)公司慈山煤礦，山西 長治市 046600)

0 引言

煤礦大巷兩翼分布有工作面時，留設(shè)寬煤柱是維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵[1]，需要綜合考慮煤層埋深、采厚、巖性、開采方法等多個因素[2?3]。當(dāng)厚煤層工作面采用分層開采時，停采煤柱先后經(jīng)歷兩次采動影響，相比綜采工作面，其內(nèi)部煤體的應(yīng)力分布和承載狀態(tài)更加復(fù)雜。

陸衛(wèi)東等[4]對厚煤層分層開采的可行性進(jìn)行了研究，得出煤層支承應(yīng)力分布可分為原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、卸壓區(qū)以及應(yīng)力恢復(fù)區(qū)4 部分，下分層煤體應(yīng)力隨上分層界限遠(yuǎn)近呈現(xiàn)線性遞增關(guān)系；李國志等[5]研究了分層開采中的煤柱承載問題，認(rèn)為其內(nèi)部煤體受多次采動影響后，承載能力會呈現(xiàn)階段降低的現(xiàn)象，煤幫區(qū)域易出現(xiàn)錨固區(qū)損傷導(dǎo)致的巷道圍巖大變形；唐啟勝等[6]通過數(shù)值模擬得出停采煤柱內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，隨著煤體與停采線距離的增大，圍巖的整體位移量和變形量逐漸減小，基于現(xiàn)場測試驗(yàn)證了80 m 煤柱寬度的合理性；張科學(xué)[7]采用理論計算、數(shù)值模擬等，分析了采動應(yīng)力的鈍角三角形、銳角三角形、梯形分布規(guī)律，確定了最優(yōu)煤柱寬度；薛琦[8]通過大巷雙側(cè)采動下的變形破壞特征與應(yīng)力分布位置，確定出合理停采線位置。劉林[9]以同忻煤礦三盤區(qū)回風(fēng)大巷保護(hù)煤柱留設(shè)為例，認(rèn)為煤柱寬度取得合理值時，其承載能力要大于采動平均應(yīng)力，在兩翼分布有工作面時，采動應(yīng)力對煤柱和大巷圍巖穩(wěn)定起到顯著影響。申海軍[9]提出煤層厚度越大，支承應(yīng)力影響范圍越大，應(yīng)在保證煤層大巷長期穩(wěn)定的前提下確定合理停采煤柱寬度。

本文以晉城端氏煤礦為工程背景，對工作面分層開采下的停采煤柱承載特性進(jìn)行具體研究。

1 工程概況

端氏煤礦煤層埋深300 m 左右，采用長壁分層開采，采用3 條大巷布置（回風(fēng)大巷、膠帶大巷、軌道大巷），南翼布置有分層開采工作面，煤層厚度5.1 m，開采區(qū)域構(gòu)造簡單。

煤層頂?shù)装逡陨皫r和泥巖為主，上方頂板包括6.0 m 泥巖和2.1 m 細(xì)砂巖，底板以2.0 m 粉砂巖和6.1 m 泥巖為主，夾雜少量砂質(zhì)泥巖。

開采煤體為裂隙發(fā)育脆性巖體，在煤柱留設(shè)區(qū)域多有片幫現(xiàn)象，承載狀態(tài)不穩(wěn)定，軌道大巷曾因停采煤柱留設(shè)不合理導(dǎo)致局部圍巖大變形問題。

圖1 大巷及南翼工作面開采

2 分層開采停采煤柱承載特性分析

2.1 模型建立

采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D分析端氏煤礦軌道大巷南翼分層開采工作面的停采煤柱承載特性。

將工作面煤巖體物理力學(xué)參數(shù)代入FLAC3D進(jìn)行計算，計算分為4 個步驟：地應(yīng)力平衡-大巷開挖-上分層煤層開采-下分層煤層開采。模型表面施加5.95 MPa 垂直應(yīng)力，模型考慮到邊界效應(yīng)影響，在軌道大巷煤柱區(qū)域和工作面區(qū)域的寬度各自設(shè)置為40 m、150 m，模型大小為194.5 m×50 m×100 m（長×寬×高）。

2.2 分層開采采動應(yīng)力分布

南翼工作面開采分為上下兩部分，上分層開采與普通綜采工作面礦壓規(guī)律一致。下分層開采則受到已開采工作面的影響，采動應(yīng)力分布規(guī)律出現(xiàn)變化，超前應(yīng)力分布處于動態(tài)變化中，上下分層分別開采之后，其停采煤柱的應(yīng)力分布情況如圖2 所示。

圖2 上下分層開采后的超前采動應(yīng)力分布云圖

圖2（a）顯示在煤層的上分層工作面開采后，前方超前應(yīng)力分布呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在下分層開采至距離停采線15 m（如圖2（b）所示），原來的應(yīng)力環(huán)境發(fā)生改變，圍巖中的應(yīng)力峰值增大、峰值應(yīng)力位置向前移動2.6 m。下分層工作面開采導(dǎo)致煤體應(yīng)力發(fā)生動態(tài)改變，峰值應(yīng)力點(diǎn)向前移動、原峰值應(yīng)力點(diǎn)位置的垂直應(yīng)力降低，這表明停采圍巖的內(nèi)部承載受下分層開采影響出現(xiàn)弱化。總體來說煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布值小于上方巖層，但兩者規(guī)律保持一致。

2.3 停采煤柱承載特性分析

取煤層中上部為應(yīng)力測線，分別提取停采線前5 m 至后50 m 的垂直應(yīng)力值，形成如圖3 所示的煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力在推進(jìn)方向上的分布曲線。

圖3 下分層工作面開采至不同位置的垂直應(yīng)力分布曲線

與圖2 的應(yīng)力分布云圖類似，在工作面前方的煤柱內(nèi)部，其峰值應(yīng)力隨著與停采線距離的增加先升高后降低。以下分層工作面開采到停采線15 m 為例（圖中紅色曲線），煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力先是逐漸升高，在11.6 m 處達(dá)到最大值21.8 MPa，隨后逐漸下降到原巖應(yīng)力狀態(tài)，在48.2 m 處達(dá)到7.4 MPa。對比圖2（b）和圖3，在下分層工作面開采至同一位置時，煤柱內(nèi)和上方巖層的峰值垂直應(yīng)力分別為23.2 MPa 和27.2 MPa，這是由于上覆頂板的下沉擠壓和煤體自身強(qiáng)度較低導(dǎo)致，因此分層工作面的停采煤柱承載更容易受開采影響出現(xiàn)弱化現(xiàn)象。

下分層工作面自停采線前30 m 逐步開采至停采線處的過程中，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值逐漸升高（從18.1 MPa 達(dá)到23.4 MPa）、應(yīng)力峰值逐漸向深部轉(zhuǎn)移（從停采線后9.7 m 到11.8 m），這說明當(dāng)下分層開采后，煤柱內(nèi)部的承載發(fā)生動態(tài)變化。隨著工作面臨近停采線，停采煤柱需要更大面積的承載范圍。峰值應(yīng)力前的內(nèi)部為塑性承載和峰后殘余強(qiáng)度承載，煤柱總體承載力隨開采范圍增大而逐步下降。同時，下分層工作面越接近停采線，前方煤柱范圍內(nèi)的超前采動應(yīng)力越大，影響范圍由38.4 m 增大到49.6 m，這意味著南翼分層開采工作面需要留設(shè)更大寬度的停采煤柱，來保證超前采動應(yīng)力下軌道大蒼圍巖的長期穩(wěn)定。

3 停采煤柱寬度設(shè)計

當(dāng)煤柱處于超前采動應(yīng)力影響范圍之內(nèi)時，大巷的煤柱側(cè)巷幫受高應(yīng)力作用更加難以維護(hù)，容易出現(xiàn)片幫、煤體破壞、支護(hù)體損傷等問題。因此，停采煤柱寬度合理取值范圍應(yīng)大于煤層所有分層工作面開采結(jié)束后的超前采動應(yīng)力影響范圍。由圖3 可知，下分層工作面開采后的影響范圍為50 m 左右，考慮到大巷開挖后會存在支承應(yīng)力，應(yīng)額外增加一定寬度。最終，確定停采煤柱寬度為60 m。

在現(xiàn)場進(jìn)行煤柱寬度工業(yè)試驗(yàn)，南翼上下分層工作面回采至軌道大巷前65 m（包括60 m 停采煤柱及5 m 回撤通道寬度）時開始撤移設(shè)備。自南翼工作面開采結(jié)束后，軌道大巷服務(wù)期間無大變形和巷幫失穩(wěn)現(xiàn)象，圍巖總體穩(wěn)定、支護(hù)體保持完整?，F(xiàn)場應(yīng)用證明，基于煤柱承載特性的留設(shè)寬度設(shè)計合理。

4 結(jié)論

本文以端氏煤礦南翼分層工作面為研究背景，研究了上、下分層工作面開采后的超前采動應(yīng)力分布規(guī)律，垂直應(yīng)力總體呈現(xiàn)先升高后降低至原巖應(yīng)力的趨勢；基于數(shù)值模擬結(jié)果，得出下分層工作面開采會導(dǎo)致煤柱內(nèi)的峰值應(yīng)力增加、峰值點(diǎn)向深部轉(zhuǎn)移，煤柱承載力弱化、承載面積增大；基于停采煤柱內(nèi)部的承載特性和應(yīng)力分布，最終確定留設(shè)寬度為60 m，現(xiàn)場應(yīng)用表明軌道大巷無明顯變形，寬度設(shè)計滿足要求。