張 宇 李煒博 楊少雄

（準(zhǔn)格爾旗羊市塔村凱達(dá)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100）

凱達(dá)煤礦30206上孤島工作面受一次和二次采動影響，巷道圍巖破壞較為嚴(yán)重[1-2]，有必要對區(qū)段煤柱寬度選取進(jìn)行專項(xiàng)研究。

1 工程概況

36306上孤島工作面位于三盤區(qū)，井田為向南西傾斜的單斜構(gòu)造。工作面東臨36307上工作面采空區(qū)，北鄰輔運(yùn)大巷，南部為實(shí)體煤，西臨36305上工作面采空區(qū)，如圖1。煤層直接頂為平均厚度8.17m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為平均厚度9.84m 的細(xì)砂巖，直接底為平均厚度9.84m 的砂質(zhì)泥巖及泥巖。

圖1 36206上孤島工作面巷道位置圖

2 區(qū)段煤柱受力狀態(tài)分析

區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性變化主要受工作面一、二次開采擾動和巖體本身流變性影響[3]。受開采擾動影響區(qū)段煤柱從初期穩(wěn)定到最終破壞過程中，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力分布始終處于一個(gè)不斷變化的過程，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)分布主要體現(xiàn)在以下四個(gè)發(fā)展階段：（1）原始地應(yīng)力分布階段；（2）一側(cè)開采應(yīng)力分布階段；（3）兩側(cè)開采應(yīng)力分布階段；（4）煤柱屈服應(yīng)力分布階段。煤柱應(yīng)力變化規(guī)律如圖2。

圖2 煤柱應(yīng)力變化規(guī)律

同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，6-2上煤層節(jié)理發(fā)育充分，當(dāng)巷道方向和層理面平行時(shí)，巷道片幫嚴(yán)重、變形量較大、支護(hù)效果不佳。同樣，煤柱穩(wěn)定性和層理方向相關(guān)性較大，不同地質(zhì)條件煤柱失穩(wěn)具有不同的形式。隨著煤柱的側(cè)面塑性破壞及采動影響發(fā)生剝落，煤柱實(shí)際承載面積減小，節(jié)理、內(nèi)部裂隙發(fā)育將導(dǎo)致煤柱穩(wěn)定性進(jìn)一步降低，此時(shí)煤柱穩(wěn)定性較差。因此，特別是在考慮孤島工作面區(qū)段煤柱穩(wěn)定性時(shí)，安全系數(shù)應(yīng)取最大值。區(qū)段煤柱破壞形式如圖3。

圖3 煤柱破壞形式

3 區(qū)段煤柱尺寸理論計(jì)算

確保區(qū)段煤柱有足夠的承載條件：煤柱上、下側(cè)產(chǎn)生塑性變形區(qū)寬度x0、x1后，煤體中央彈性核的寬度應(yīng)不小于煤柱高度m的2 倍，煤柱寬度B應(yīng)滿足B≥x0+xb+x1，xb是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，理論上，必須通過力學(xué)分析求出彈性核破壞的臨界寬度L1。設(shè)計(jì)留設(shè)區(qū)段煤柱的寬度應(yīng)大于極限平衡條件下的區(qū)段煤柱寬度方可確保煤柱具有足夠的承載能力，如圖4。

圖4 區(qū)段煤柱寬度示意圖

區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的寬度B為：

利用上述公式計(jì)算得出的區(qū)段煤柱寬度，僅考慮了工作面開采時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)K和靜態(tài)載荷因素K′分別對區(qū)段煤柱穩(wěn)定的影響，未考慮巷道自身掘進(jìn)、工作面開采擾動以及時(shí)間效應(yīng)等一系列動態(tài)因素對區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的影響，因而需要對該公式進(jìn)行修正。

綜上所述，考慮掘進(jìn)因子σ、開采擾動因子d對煤柱寬度的影響，參照經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)選取，將上式修改為：

式中：d為開采擾動影響因子，取3；α為掘進(jìn)影響因子，取1.2。

區(qū)段煤柱上、下側(cè)塑性區(qū)寬度x0、x1分別為：區(qū)段煤柱彈性核臨界破壞寬度如式（4）為：

式中：x0、x1分別為區(qū)段煤柱兩側(cè)塑性破壞區(qū)的寬度，m；L1為區(qū)段煤柱彈性核寬度，m；m為煤柱高度，1.72 m；K、K′為彈性核與頂?shù)装褰缑嫦聝蓚?cè)塑性破壞區(qū)交界面上的應(yīng)力集中系數(shù)，分別取值2.5、3；C為煤的粘聚力，2.15 MPa；φ為內(nèi)摩擦角，23°；C0為區(qū)段煤柱與頂?shù)装褰缑嬷g的粘聚力，1500 kPa；φ0為區(qū)段煤柱與頂?shù)装褰缑娴膬?nèi)摩擦角，35°；γ為覆巖平均容重，25.5 kN/m3；H為煤層埋深，150 m；λ為塑性區(qū)與彈性區(qū)的側(cè)壓系數(shù)，取值0.30。

計(jì)算得x0=1.46 m，x1=1.27 m，L1=0.83 m。

把以上值代入式B1≥[L1+αd（x1+x0）] 計(jì)算得B1≥10.66 m。

綜上，初步確定煤柱寬度留設(shè)時(shí)，煤柱尺寸取15 m。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立

為了確定區(qū)段煤柱的合理寬度，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)條件，建立了4 種區(qū)段煤柱計(jì)算模型，分別為5 m、10 m、15 m 和20 m。

模型模擬幾何尺寸： 長× 寬× 高=700 m×500 m×100 m。模型共劃分619 600 個(gè)單元，705 422 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型模擬2 號煤層厚度為2.61 m，煤層頂板60 m，底板40 m。模擬過程中分別考慮兩旁采空區(qū)影響，分析煤柱屈服破壞范圍大小、應(yīng)力分布情況。模型示意圖如圖5。

圖5 孤島工作面區(qū)段煤柱示意圖

4.2 模擬結(jié)果

根據(jù)上述所建立的模型，僅改變不同區(qū)段煤柱尺寸，推測其煤柱穩(wěn)定性較高，獲取最危險(xiǎn)位置區(qū)段煤柱留設(shè)寬度，為36306上孤島工作面煤柱留設(shè)提供依據(jù)。5 m、10 m、15 m 和20 m 不同區(qū)段煤柱時(shí)，垂直應(yīng)力云圖及塑性區(qū)如圖6。

圖6 孤島工作面不同區(qū)段煤柱模擬示意圖

從圖6 垂直應(yīng)力分布和塑性區(qū)破壞規(guī)律不難看出，當(dāng)區(qū)段煤柱為5 m 和10 m 時(shí)，受兩側(cè)采空區(qū)影響，孤島工作面巷道處于兩側(cè)工作面采空區(qū)應(yīng)力降低區(qū)，有利于巷道布置，但此時(shí)區(qū)段煤柱已完全發(fā)生塑性破壞，巷道圍巖變形量較大。因此，如果掘進(jìn)孤島工作面巷道時(shí)，至少應(yīng)在兩側(cè)工作面停采12 個(gè)月左右，掘進(jìn)時(shí)存在一定危險(xiǎn)性，需采取一定的卸壓保護(hù)措施后方可掘進(jìn)。當(dāng)區(qū)段煤柱為15 m時(shí)，在煤柱兩側(cè)存在兩個(gè)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，煤柱塑性破壞比例進(jìn)一步減小，中部彈性核區(qū)未貫通，彈性核區(qū)寬度進(jìn)一步增大，煤柱的承載能力也逐漸增大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)區(qū)段煤柱中部彈性核寬度大于或等于2 倍的煤層厚度時(shí)，區(qū)段煤柱將具有一定的承載能力保持巷道的穩(wěn)定。彈性核寬度為6.7 m，巷道圍巖穩(wěn)定性較好。當(dāng)區(qū)段煤柱寬度由15 m 增至20 m時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域逐漸向著采空區(qū)一側(cè)靠近，區(qū)段煤柱中部將不會出現(xiàn)大幅度應(yīng)力升高，從而區(qū)段煤柱不再發(fā)生塑性破壞，雖然此時(shí)區(qū)段煤柱具有較高的承載能力，但其內(nèi)部彈性核區(qū)寬度較大，過大的彈性核區(qū)造成了一定程度的資源浪費(fèi)，不符合綠色開采的要求。

5 結(jié)論

以36306上孤島工作面為研究對象，理論計(jì)算了煤柱寬度，采用數(shù)值模擬法對煤柱塑性破壞、彈性核區(qū)寬度、煤柱上方頂板貫通程度進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）理論計(jì)算區(qū)段煤柱寬度為10.66 m，考慮到錨桿支護(hù)及塑性區(qū)破壞范圍，確定36306上孤島工作面區(qū)段煤柱的合理留設(shè)尺寸為15 m。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果可知，區(qū)段煤柱為15 m，彈性核區(qū)有6.7 m 符合彈性核區(qū)寬度最低條件；煤柱過大會造成資源浪費(fèi)。結(jié)合周邊礦井孤島工作面區(qū)段煤柱留設(shè)經(jīng)驗(yàn)，確定本次孤島工作面區(qū)段煤柱寬度為15 m，可根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行專項(xiàng)分析調(diào)整最終煤柱合理尺寸。