王正帥，劉 軍

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著煤炭供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的深入推進(jìn)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，我國(guó)煤礦單井平均產(chǎn)能已達(dá)92萬(wàn)t/a，千萬(wàn)噸級(jí)生產(chǎn)煤礦42處，千萬(wàn)噸級(jí)在建和改擴(kuò)建煤礦37處(截至2018年底)，開(kāi)采強(qiáng)度快速增大的綜合機(jī)械化開(kāi)采是我國(guó)煤層開(kāi)采的主要方向[1]。工作面回采時(shí)，區(qū)段煤柱兩側(cè)巷道位于應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)受采動(dòng)影響，煤柱尺寸過(guò)小時(shí)難以保證巷道穩(wěn)定，煤柱尺寸過(guò)大又造成資源浪費(fèi)，因此工作面區(qū)段煤柱合理寬度的確定對(duì)提高資源利用率和安全開(kāi)采起著重要作用[2]。多年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)采場(chǎng)支承壓力分布[3-4]、不同尺寸煤柱破壞傾向性[5]、煤柱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[6-7]、煤柱合理寬度[8-10]等開(kāi)展了研究。伍永平等[11-15]通過(guò)理論分析、物理模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法研究發(fā)現(xiàn)大傾角煤層特殊的賦存條件，造成大傾角煤層開(kāi)采中頂板空間應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律、頂板破斷垮落后所形成的圍巖結(jié)構(gòu)等較緩傾斜煤層開(kāi)采時(shí)異常復(fù)雜，大傾角煤層開(kāi)采中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律總體呈現(xiàn)出非對(duì)稱特征，導(dǎo)致煤柱受力復(fù)雜、維護(hù)難度大。本文在已有研究基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方式，根據(jù)地質(zhì)條件研究大傾角厚煤層開(kāi)采時(shí)區(qū)段煤柱合理寬度的范圍和回采面回采對(duì)鄰近掘進(jìn)面的影響，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為礦井煤柱留設(shè)寬度的選擇及優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工作面概況

新疆南山煤礦B8煤層B801工作面為礦井首采工作面，走向長(zhǎng)950 m，傾向長(zhǎng)114～136 m，切眼處長(zhǎng)度114 m，走向長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。煤層傾角38°～42°，煤層厚度4.2 m，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、全區(qū)可采，為高揮發(fā)分弱黏結(jié)煤，與下部B7煤層間距平均6.55 m，與上部B9煤層間距平均21.2 m。偽頂為厚0.2 m的灰黑色泥巖，堅(jiān)固性系數(shù)2；直接頂為厚20.2 m的灰黑色粉砂巖，基本頂為厚14.6 m的淺黑灰色細(xì)砂巖，直接底為厚1.2 m的灰黑色細(xì)砂巖，堅(jiān)固性系數(shù)為4～6。

2 區(qū)段煤柱受力特征

2.1 不同傾角煤層煤柱應(yīng)力分布

為研究不同煤層傾角條件下區(qū)段煤柱受力特征，根據(jù)南山煤礦地質(zhì)資料，建立煤層傾角分別為35°、40°、45°，區(qū)段煤柱為20 m的幾何模型，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬。不同煤層傾角工作面及區(qū)段煤柱的垂直應(yīng)力分布如圖1所示，應(yīng)力曲線如圖2所示。

圖1 不同煤層傾角區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力分布

圖2 不同煤層傾角區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力曲線

從圖1、圖2可知，大傾角煤層工作面區(qū)段煤柱集中應(yīng)力最大值位于煤柱上部靠近上區(qū)段工作面的頂板處；隨著傾角的增加，集中應(yīng)力作用點(diǎn)向頂板上部(煤柱上端)及工作面煤壁內(nèi)部轉(zhuǎn)移，當(dāng)工作面傾角為45°時(shí)，煤柱出現(xiàn)非對(duì)稱的“馬鞍形”應(yīng)力分布曲線，說(shuō)明煤柱受到的工作面與煤柱側(cè)疊加應(yīng)力并非均勻分布，靠近上區(qū)段側(cè)的應(yīng)力集中明顯高于下區(qū)段側(cè)。

2.2 不同寬度區(qū)段煤柱受力特征

分別建立煤柱寬度為5、10、15、20、25、30 m的數(shù)值模型，煤層傾角40°，工作面傾向長(zhǎng)114 m，采高4.2 m，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究不同寬度區(qū)段煤柱的受力變形和破壞規(guī)律，以便確定區(qū)段煤柱的合理尺寸。工作面回采后，工作面應(yīng)力分布及不同寬度區(qū)段煤柱的垂直應(yīng)力分布云圖如圖3所示，應(yīng)力曲線(測(cè)線與巷道底板高度一致)如圖4所示。

從圖3可知，大傾角煤層工作面應(yīng)力集中區(qū)域與緩傾斜煤層表現(xiàn)出明顯不同，應(yīng)力集中主要位于工作面上端部往上3 m左右范圍內(nèi)的底板和下端部往下20 m左右范圍內(nèi)的頂板中。從圖4可知，當(dāng)煤柱寬度為5～10 m時(shí)，煤柱整體承載壓力較大，巷道處在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)。當(dāng)煤柱寬度為15～20 m時(shí)，巷道逐漸遠(yuǎn)離應(yīng)力峰值；當(dāng)煤柱寬度大于20 m后，煤柱所受應(yīng)力呈“馬鞍形”，說(shuō)明煤柱中已出現(xiàn)明顯的一定寬度的彈性區(qū)域。因此，從數(shù)值模擬分析看，區(qū)段煤柱寬度15～20 m較合適。

圖4 不同寬度區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力曲線

3 回采對(duì)鄰近掘進(jìn)面的擾動(dòng)

采用FLAC3D模擬分析B801回采面回采對(duì)鄰近下區(qū)段工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)面的影響。模型長(zhǎng)度700 m，寬250 m，高322 m，工作面傾向長(zhǎng)114 m，區(qū)段煤柱寬20 m，煤層傾角40°。工作面布置及模型尺寸如圖5所示。

圖5 工作面布置及模型尺寸

首先，在初始模型基礎(chǔ)上回采工作面100 m，相鄰下區(qū)段工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)100 m后停掘，此時(shí)回采面和掘進(jìn)面相距400 m。此后，工作面每次回采40 m，兩面距離縮短40 m，直至回采工作面越過(guò)掘進(jìn)工作面120 m，即兩面相距-120 m。模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 回采工作面對(duì)鄰近掘進(jìn)面的影響

由圖6可知，兩面相距400 m，回采面周圍壓力最大值11 MPa，位于運(yùn)輸巷一側(cè)，相鄰掘進(jìn)面最大壓力6 MPa，兩面沒(méi)有互相擾動(dòng)影響。兩面相距200 m，回采面周圍最大壓力值16.3 MPa，位于兩巷側(cè)，工作面前方壓力最大值為11.2 MPa，其相鄰掘進(jìn)面最大壓力為6.2 MPa，兩面開(kāi)始有擾動(dòng)影響。兩面相距0 m，回采面周圍最大壓力值為17.5 MPa，位于運(yùn)輸巷側(cè)，工作面前方壓力最大值為12.8 MPa，其相鄰工作面回風(fēng)巷最大壓力為7.9 MPa，兩面相互擾動(dòng)加劇。兩面相距-40 m時(shí)兩面之間的擾動(dòng)基本達(dá)到最大值，回采面周圍壓力最大值為17.5 MPa，位于運(yùn)輸巷側(cè)，工作面前方壓力最大值為13.2 MPa，其相鄰工作面回風(fēng)巷道最大壓力為8.5 MPa。

4 現(xiàn)場(chǎng)煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，礦井確定首采工作面的區(qū)段煤柱寬度為20 m，在下區(qū)段回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面掘進(jìn)至距離回采面260 m時(shí)停止掘進(jìn)，開(kāi)展區(qū)段煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)。從停掘的回風(fēng)巷內(nèi)向區(qū)段煤柱中施工鉆孔布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，采用鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)煤柱受力變化情況，在煤柱內(nèi)共安設(shè)9個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)。鉆孔垂直煤柱煤壁施工，開(kāi)孔高度1.2 m，孔徑42 mm。應(yīng)力計(jì)的安裝深度分別為18、16、14、12、10、8、6、4、2 m，編號(hào)依次為1號(hào)—9號(hào)。從掘進(jìn)面退后1 m開(kāi)始安裝1號(hào)鉆孔應(yīng)力計(jì)，此后每后退5 m安裝1個(gè)，監(jiān)測(cè)回風(fēng)巷掘進(jìn)面之后長(zhǎng)40 m的煤柱范圍。應(yīng)力傳感器的初始值設(shè)置為4 MPa?；夭晒ぷ髅媾c掘進(jìn)面相距400、218、0、-46 m時(shí)煤柱的壓力如圖7所示。

圖7 區(qū)段煤柱沿傾向壓力分布

經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)和變化曲線的分析，當(dāng)回采面距離掘進(jìn)面218 m時(shí)，煤柱壓力出現(xiàn)變化，1號(hào)—3號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力開(kāi)始升高，表明回采面與掘進(jìn)面已開(kāi)始互相擾動(dòng)；當(dāng)回采面越過(guò)掘進(jìn)面46 m后各測(cè)點(diǎn)壓力值變化較小，表明工作面回采對(duì)區(qū)段煤柱的影響已經(jīng)趨于穩(wěn)定，煤柱壓力與未受回采影響時(shí)相比增加了40%～60%，說(shuō)明回采對(duì)區(qū)段煤柱影響十分明顯，造成應(yīng)力在區(qū)段煤柱上疊加集中；煤柱靠近運(yùn)輸巷側(cè)應(yīng)力集中明顯大于下區(qū)段側(cè)。

由圖7可知，煤柱靠近上區(qū)段側(cè)塑性區(qū)范圍約6 m(塑性區(qū)1)，靠近下區(qū)段側(cè)塑性區(qū)范圍約4 m(塑性區(qū)2)，煤柱中部的彈性核寬度約為10 m。根據(jù)彈性核理論，中部10 m寬的彈性核大于2倍的采高，因此20 m寬的煤柱能夠保持穩(wěn)定。根據(jù)彈性核理論計(jì)算認(rèn)為，最佳煤柱寬度為18.4 m。

5 結(jié)論

(1)大傾角煤層工作面應(yīng)力集中區(qū)域與緩傾斜煤層明顯不同，煤柱受到的工作面與煤柱側(cè)疊加應(yīng)力并非均勻分布，靠近上區(qū)段側(cè)的應(yīng)力集中明顯高于下區(qū)段側(cè)。

(2)當(dāng)前南山煤礦B8煤層大傾角工作面20 m寬區(qū)段煤柱能夠保持穩(wěn)定；大傾角煤層區(qū)段煤柱中能夠存在彈性核，通過(guò)彈性核理論計(jì)算得到其合理區(qū)段煤柱寬度為18.4 m。

(3)回采工作面與相鄰掘進(jìn)工作面相距218 m時(shí)開(kāi)始相互擾動(dòng)，兩面之間的最大擾動(dòng)影響發(fā)生在回采面越過(guò)掘進(jìn)面46 m時(shí)，煤柱壓力與未回采影響時(shí)相比增加了40%～60%，回采對(duì)區(qū)段煤柱影響十分明顯。