楊 旭，鐘濤平，楊 偉，李振雷，張 強,李紅平，賈兵兵，孔令宇

(1.國能新疆寬溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831200；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083;3.新疆維吾爾自治區(qū)發(fā)展和改革委員會干部培訓(xùn)中心，新疆 烏魯木齊 830000)

在多煤層、多區(qū)段開采礦井時，常采用區(qū)段煤柱隔絕采空區(qū)內(nèi)有毒有害氣體，維持臨空巷道環(huán)境穩(wěn)定。作為主要支撐結(jié)構(gòu)，區(qū)段煤柱內(nèi)易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。在沖擊地壓礦井，區(qū)段煤柱內(nèi)應(yīng)力集中易誘發(fā)工作面和臨空巷道沖擊顯現(xiàn)，是主要沖擊致災(zāi)因素之一，可通過留設(shè)合理寬度的區(qū)段煤柱以降低圍巖應(yīng)力集中程度及其導(dǎo)致的沖擊危險。

國內(nèi)外學(xué)者對綜放工作面區(qū)段煤柱合理留設(shè)及巷道穩(wěn)定性進行了諸多研究[1-3]，張廣超等[4]研究發(fā)現(xiàn)基本頂斷裂線靠近巷道時，煤柱側(cè)頂板嚴(yán)重下沉和肩角部位煤巖體錯位、嵌入、臺階下沉等非對稱破壞特征；祁和剛等[5]研究了深部礦井區(qū)段煤柱高應(yīng)力集中載荷對底板巖層破壞范圍和巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，并提出“一高一低”的高應(yīng)力區(qū)段煤柱綜合卸荷技術(shù)；伍永平等[6]通過建立“梁-拱組合梁”“雙拱連續(xù)梁”力學(xué)模型，分析了區(qū)段煤柱失穩(wěn)機理，認(rèn)為區(qū)段煤柱合理寬度應(yīng)同時符合2種力學(xué)模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定所需寬度；鄭錚等[7]基于“內(nèi)外應(yīng)力場”理論和偏應(yīng)力第二不變量表征特性研究了傾斜煤層不同寬度煤柱下異性巷道圍巖變形、應(yīng)力分布，并確定了合理的區(qū)段煤柱寬度；趙賓等[8]研究發(fā)現(xiàn)隨著煤柱寬度增加，圍巖應(yīng)力集中區(qū)逐步向煤柱中部轉(zhuǎn)移，煤柱內(nèi)塑性破壞區(qū)呈“X”型；郭金剛等[9]、查文華等[10]基于工作面?zhèn)认蚧卷敂嗔盐恢脤ο锏篮蛥^(qū)段煤柱布置進行了研究，認(rèn)為巷道布置應(yīng)遠(yuǎn)離側(cè)向基本頂斷裂位置。

某礦具有特厚煤層、堅硬厚頂板、多煤層重復(fù)采動等特點，回采期間曾發(fā)生過沖擊地壓顯現(xiàn)，造成工作面人員傷亡和財產(chǎn)損失，首次沖擊煤層平均埋深為317 m[11]，低于一般沖擊臨界采深400 m。礦井B2煤層經(jīng)鑒定具有弱沖擊性傾向，結(jié)合礦井歷史沖擊顯現(xiàn)案例、首沖采深，表明工作面回采B2煤層具有一定沖擊危險。在多煤層、多區(qū)段開采礦井受開采開拓布局影響，不合理寬度的區(qū)段煤柱往往是工作面沖擊地壓致災(zāi)因素，易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害顯現(xiàn)[12]。在工作面回采過程中，區(qū)段煤柱及臨空巷道礦壓事件頻繁，造成巷道圍巖變形、設(shè)備損壞等，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)效益。本文將以某礦I010203工作面為工程背景，通過建立區(qū)段煤柱支承應(yīng)力疊加力學(xué)模型和數(shù)值模擬研究分析不同寬度區(qū)段煤柱圍巖應(yīng)力場、能量場分布演化規(guī)律，開展礦井I010203工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度優(yōu)化研究。研究結(jié)果可為該礦井接續(xù)工作面和相似條件工作面回采的區(qū)段煤柱寬度留設(shè)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

I010203工作面傾向長約190 m，走向長約1 500 m，采用放頂煤開采工藝，割煤厚度3.2 m，放頂煤厚度6.3 m。I010203工作面北側(cè)為I010201采空區(qū)，I010203下順槽與I010201采空區(qū)間留設(shè)有15 m寬的區(qū)段煤柱。距工作面停采線13～745 m范圍頂板上方為上煤層I010405采空區(qū)(圖1)。

圖1 I010203工作面空間分布示意圖Fig.1 Spatial distribution of I010203 working face

煤礦從上至下有B4-2煤層、B4-1煤層、B3煤層、B2煤層、B1煤層、B0煤層，其中，B4-1煤層和B4-2煤層已回采完成，I010203工作面主采B2煤層，B2煤層傾角12°～14°，煤層厚度平均9.5 m，含矸0到2層，結(jié)構(gòu)簡單。B2煤層頂板依次為7 m厚細(xì)砂巖直接頂(含泥巖)、10 m厚粉砂巖基本頂，底板依次為5.5 m厚粉砂巖直接底、4 m厚粗砂巖基本底。依據(jù)礦井沖擊傾向性鑒定結(jié)果，B2煤層動態(tài)破壞時間為215 ms、沖擊能量指數(shù)3.19KE、彈性能量指數(shù)3.27WET、單軸抗壓強度34.37 MPa，B2煤層具有弱沖擊傾向性；B2煤層頂板彎曲能量指數(shù)為177.67 kJ，具有強沖擊傾向性；B2煤層底板彎曲能量指數(shù)為26.82 kJ，具有弱沖擊傾向性。由B2煤層及其頂?shù)装鍑鷰r沖擊傾向性鑒定結(jié)果可知，工作面具有較高的沖擊危險。

2 工作面煤柱沖擊危險評價

工作面前期回采階段中，微震事件分布如圖2所示。從圖2(a)中可以看出，在區(qū)段煤柱內(nèi)103～105J事件密集分布，微震事件能量最高為1.7×105J，從圖2(b)中可知，區(qū)段煤柱出現(xiàn)明顯的微震頻次峰值。在I010203工作面區(qū)段煤柱寬15 m條件下，圍巖存在能量高度集中且劇烈釋放現(xiàn)象。沖擊地壓的本質(zhì)是貯存在煤巖體內(nèi)的可釋放彈性能突然猛烈釋放[13]。在采動擾動作用下，區(qū)段煤柱內(nèi)聚積的大量彈性能急劇釋放，當(dāng)煤巖體釋放的彈性能大于圍巖破壞所需要的機械能和熱能與煤巖體拋射需要的動能的總和，易誘發(fā)工作面發(fā)生沖擊地壓動力災(zāi)害顯現(xiàn)[14]。因此，布設(shè)15 m寬區(qū)段煤柱增大了I010203工作面的沖擊危險程度。

圖2 I010203工作面微震事件分布Fig.2 Distribution of microseismic events in I010203 working face

依據(jù)礦井一采區(qū)西翼實際地質(zhì)賦存建立數(shù)值模擬模型。模型主要研究對象為礦井I010203回采工作面下順槽側(cè)區(qū)段煤柱。I010203工作面上順槽埋深約330 m，下順槽埋深約380 m。模型建立時包含歷史開采的B4-2煤層、B4-1煤層?？紤]模型計算的真實性和計算時的效率問題，模型頂部邊界埋深設(shè)為140 m。模型尺寸為1 000 m(X)×2 000 m(Y)×500 m(Z)，共397 424個網(wǎng)格。根據(jù)煤層地質(zhì)賦存和礦井柱狀圖，預(yù)設(shè)B2煤層厚度為10 m、B4-1煤層厚度為5 m、B4-2煤層厚度為2 m。I010203工作面順槽斷面尺寸設(shè)為5 m(寬)×4 m(高)，模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model

數(shù)值模型通過煤礦實測地應(yīng)力和模型需求設(shè)置邊界條件。模型底部設(shè)置位移邊界，固定垂向位移；模型頂部設(shè)置應(yīng)力邊界，施加3.5 MPa等效載荷。模型四周施加應(yīng)力邊界，模型X向水平應(yīng)力設(shè)置為2倍的同水平垂向應(yīng)力，模型Y向水平應(yīng)力與同水平垂向應(yīng)力大小相等，本模型重力加速度設(shè)置為10 m/s2。模擬中采空區(qū)上方一定高度頂板巖層采用應(yīng)變軟化準(zhǔn)則模型用于模擬頂板垮落、觸矸，其他區(qū)域皆采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則模型。數(shù)值模擬中對實驗室所測得力學(xué)參數(shù)進行一定折減[15]，以符合現(xiàn)場實際，數(shù)值模擬參數(shù)見表1。依據(jù)謝和平等[16]提出的彈性能計算公式，編制fish代碼提取模型中圍巖彈性能密度。

表1 數(shù)值模擬煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of numerical simulation coal and rock mass

I010203工作面回采前煤柱所在位置(X=465 m)圍巖應(yīng)力沿走向分布，如圖4所示。Y=150～550 m為穩(wěn)定區(qū)，區(qū)段煤柱上方為實體煤，煤柱圍巖應(yīng)力未發(fā)生明顯變化；在Y=550～900 m為影響區(qū)，受I010405工作面采空區(qū)邊界影響，區(qū)段煤柱圍巖應(yīng)力開始快速增大，在Y=862.5 m處達到應(yīng)力峰值33.09 MPa、增幅6.94 MPa；Y=900～1 600 m為卸壓區(qū)，煤柱垂直應(yīng)力大幅下降，Y=1 200 m處，圍巖垂直應(yīng)力從29.07 MPa降低至15.06 MPa，降幅14.01 MPa。在B4-1煤層采空區(qū)邊界作用下，導(dǎo)致I010203工作面區(qū)段煤柱沖擊危險明顯增大。

圖4 區(qū)段煤柱圍巖應(yīng)力分布特征Fig.4 Stress distribution characteristics of surrounding rock of section coal pillar

Y=862.5 m處區(qū)段煤柱破壞區(qū)域分布特征，如圖5所示。由圖5可知，寬度為14～16 m，煤柱并未完全發(fā)生塑性破壞，彈性核區(qū)占比從28.57%增大至40.63%。結(jié)果表明寬度為15 m時，區(qū)段煤柱沒有發(fā)生完全破壞，具有較好應(yīng)力承載能力和傳遞能力。

圖5 影響區(qū)內(nèi)煤柱寬度14～16 m時煤柱破壞區(qū)域分布Fig.5 Distribution of coal pillar failure area when the width of coal pillar is 14-16 m in the affected area

結(jié)合圍巖應(yīng)力和破壞區(qū)域分布特征可知，當(dāng)15 m寬煤柱應(yīng)力峰值達到最大值時，煤柱內(nèi)仍存在較大范圍的彈性核區(qū)，表明煤柱具有較好承載能力和儲能能力，彈性核區(qū)內(nèi)圍巖應(yīng)力和彈性能高度集中，是沖擊災(zāi)害顯現(xiàn)的沖擊啟動區(qū)。不完全破壞的煤柱具有良好的應(yīng)力傳遞能力，煤柱承載的應(yīng)力傳遞至下煤層回采工作面，導(dǎo)致下煤層工作面亦出現(xiàn)局部圍巖應(yīng)力快速增大現(xiàn)象，增大下伏煤層工作面沖擊危險性。

工作面回采過程中，采空區(qū)遺留煤柱出現(xiàn)了明顯煤柱彈性能失穩(wěn)釋放現(xiàn)象，如圖6所示。當(dāng)工作面回采長度從100 m增大200 m時，距離開切眼100 m處煤柱彈性能密度從144.7 kJ/m3增大至243.0 kJ/m3，當(dāng)回采長度由300 m增大至400 m，彈性能由241.3 kJ/m3降低至219.8 kJ/m3，降低了21.5 kJ/m3。表明15 m寬遺留煤柱在采空區(qū)孤島結(jié)構(gòu)下，存在圍巖應(yīng)力和彈性能增大，并超過其能承受的極限值，可發(fā)生動力破壞，釋放大量彈性能，形成強動載，且可誘發(fā)下煤層回采工作面沖擊顯現(xiàn)。

圖6 采空區(qū)遺留煤柱能量釋放特征Fig.6 Energy release characteristics of residual coal pillars in goaf

綜上可知，I010203工作面回采過程中15 m寬區(qū)段煤柱微震事件頻繁，能量釋放劇烈，動載擾動劇烈，不合理的煤柱寬度增大了工作面沖擊危險。15 m寬區(qū)段煤柱在高應(yīng)力作用下存在彈性核區(qū)，具有較好的應(yīng)力承載能力和傳遞能力，集中應(yīng)力傳遞至下煤層回采工作面，增大下煤層回采工作面的靜載集中，采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱失穩(wěn)破壞釋放大量彈性能，對下煤層工作面提供強動載擾動，因此15 m寬區(qū)段煤柱增大了下煤層區(qū)段煤柱寬度沖擊危險。當(dāng)煤柱留設(shè)寬度不合理時，區(qū)段煤柱從開采開拓布局角度增大了礦井工作面回采過程中的沖擊地壓危險，且其對沖擊地壓危險增大的影響是具有持續(xù)性，該不合理寬度區(qū)段煤柱持續(xù)作用于回采工作面和下煤層回采工作面。

3 區(qū)段煤柱合理寬度數(shù)值研究

通過上述分析結(jié)果可知，15 m寬區(qū)段煤柱寬度下煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力和彈性能高度集中，易誘發(fā)礦井工作面沖擊顯現(xiàn)。模擬區(qū)段煤柱寬度分別為2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m、30 m時區(qū)段煤柱圍巖應(yīng)力場、能量場和破壞區(qū)域分布演化特征，分析區(qū)段煤柱合理布設(shè)寬度。

3.1 區(qū)段煤柱應(yīng)力分布特征

Y=550 m處不同寬度區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力云圖，如圖7所示，區(qū)段煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線，如圖8所示，不同寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值見表2。由圖7和圖8可知，當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為2～6 m時，煤柱內(nèi)應(yīng)力整體偏低，應(yīng)力峰值從11.63 MPa增大至19.20 MPa，表明煤柱全部發(fā)生破壞，僅靠圍巖殘余強度進行支撐，承載能力較弱。當(dāng)煤柱寬度為8 m時，初步出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。煤柱寬度為10～16 m時，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力集中程度最高。當(dāng)煤柱寬度為18～30 m時，煤柱巷道側(cè)應(yīng)力集中程度逐漸降低，應(yīng)力高值區(qū)逐漸向采空區(qū)側(cè)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移。

圖8 區(qū)段煤柱內(nèi)圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.8 Vertical stress distribution of surrounding rock in section coal pillar

表2 區(qū)段煤柱巷道側(cè)應(yīng)力峰值Table 2 Peak stress of roadway side of section coal pillar

圖7 區(qū)段煤柱圍巖應(yīng)力分布演化Fig.7 Stress distribution evolution of surrounding rock of section coal pillar

以14 m寬煤柱和16 m寬煤柱應(yīng)力峰值平均值代替15 m寬煤柱應(yīng)力峰值(34.33 MPa)。當(dāng)煤柱寬度為8 m，應(yīng)力峰值為26.32 MPa，相較于寬度為15 m，降低8.01 MPa(降幅23.33%)；煤柱寬度為10 m時，應(yīng)力峰值為33.25 MPa，相較于寬度為15 m，降低1.08 MPa(降幅3.15%)。煤柱寬度為12 m，應(yīng)力集中峰值最大35.06 MPa，相較于寬度為15 m，增大0.73 MPa(2.13%)。由圖7可知，隨著煤柱寬度增大，區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先快速增大后逐漸降低趨勢，應(yīng)力分布特征由單峰逐漸轉(zhuǎn)變成雙峰分布。當(dāng)煤柱寬度為18～30 m，煤柱應(yīng)力峰值隨著煤柱寬度增大而減小，煤柱內(nèi)應(yīng)力最大值逐漸有巷道側(cè)向采空區(qū)側(cè)轉(zhuǎn)移，應(yīng)力高值區(qū)增大，沖擊啟動區(qū)范圍增大。

3.2 區(qū)段煤柱塑性區(qū)分布特征

具有沖擊危險性的礦井彈性核區(qū)圍巖高應(yīng)力、高能量集中，在強動載擾動下極易誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)[17]，因此沖擊地壓礦井應(yīng)避免區(qū)段煤柱內(nèi)出現(xiàn)彈性核區(qū)或者布置大尺寸煤柱避免彈性核區(qū)出現(xiàn)支承應(yīng)力疊加現(xiàn)象。不同寬度下區(qū)段煤柱內(nèi)圍巖塑性區(qū)分布如圖9所示。由圖9可知，煤柱圍巖主要破壞形式為剪切破壞。當(dāng)煤柱寬度為2～6 m時，煤柱內(nèi)煤體完全發(fā)生塑性破壞，巷道頂板也發(fā)生大范圍塑性破壞，煤柱內(nèi)破碎區(qū)占比較大，巷道頂板和煤柱幫煤體松散、不易支護。當(dāng)煤柱寬度為8 m時，巷道頂板塑性破壞范圍減小，彈性區(qū)域增大，煤柱完全發(fā)生塑性破壞。當(dāng)煤柱寬度為10～12 m時，巷道頂板在上方2 m發(fā)生剪切破壞，同時塑性區(qū)貫通區(qū)段煤柱、但逐漸出現(xiàn)彈性區(qū)域。當(dāng)煤柱寬度為14～30 m時，煤柱內(nèi)出現(xiàn)明顯彈性核區(qū)、沖擊危險增大。

圖9 區(qū)段煤柱內(nèi)圍巖塑性區(qū)分布Fig.9 Distribution of plastic zone of surrounding rock in section coal pillar

3.3 區(qū)段煤柱能量分布特征

煤柱在受壓狀態(tài)下積蓄大量能量，其中部分能量用于圍巖損傷、破碎，剩余能量可在圍巖失穩(wěn)破壞時向外界釋放誘發(fā)強動載。不同寬度下區(qū)段煤柱圍巖彈性能密度分布曲線，如圖10所示，煤柱彈性能密度峰值，見表3。

圖10 區(qū)段煤柱內(nèi)圍巖彈性能密度分布Fig.10 Distribution of elastic energy density of surrounding rock in section coal pillar

由區(qū)段煤柱圍巖彈性能分布特征可知，彈性能在煤柱距離巷道邊界I010203工作面下順槽邊界2 m處達到峰值。區(qū)段煤柱寬度為2～6 m時，煤柱巷道側(cè)彈性能峰值依次為26.7～59.9 kJ/m3，煤體較為破碎無法大量聚積彈性能。

以14 m寬煤柱和16 m寬煤柱彈性能密度峰值的平均值代替15 m寬煤柱應(yīng)力峰值(183.35 kJ/m3)。煤柱寬度為8 m時，彈性能密度峰值為103.60 kJ/m3，較煤柱寬度2～6 m時，煤柱圍巖彈性能聚積程度大幅上升，表明煤體完整性較好，較煤柱寬度15 m時，降低79.75 kJ/m3(降幅43.50%)。煤柱寬度為10～12 m時，煤柱彈性能密度峰值分別為157.40 kJ/m3、179.40 kJ/m3，依次降低25.95 kJ/m3(降幅14.15%)、3.95 kJ/m3(降幅2.15%)。煤柱寬度為14～18 m時，圍巖彈性能密度峰值為177.00～184.50 kJ/m3，在寬度為14 m時達到彈性能密度峰值，該寬度范圍內(nèi)區(qū)段煤柱圍巖彈性能密度峰值最大，可用于發(fā)生動力破壞的能量最高。煤柱寬度為16～30 m時，區(qū)段煤柱巷道側(cè)彈性能密度峰值緩慢降低，但是仍高于寬度為8 m時煤柱彈性能密度，煤體內(nèi)可用于動力破壞的能量較高。

3.4 區(qū)段煤柱合理留設(shè)寬度

區(qū)段煤柱用于隔絕采空區(qū)內(nèi)有毒害氣體泄漏至回采工作面，避免二次災(zāi)害發(fā)生。同時，作為采場主要支撐結(jié)構(gòu)之一，區(qū)段煤柱亦應(yīng)當(dāng)具有較好的承載能力。研究礦井除沖擊地壓災(zāi)害外，還存在瓦斯治理問題，布設(shè)區(qū)段煤柱時應(yīng)當(dāng)考慮隔絕采空區(qū)和預(yù)防瓦斯等效果。當(dāng)寬度為2～6 m時，煤柱破碎區(qū)占比程度較高，圍巖承壓能力弱，無法起到較好的隔絕采空區(qū)，維持臨空巷道穩(wěn)定的作用。當(dāng)煤柱寬度大于12 m時，煤柱內(nèi)存在明顯的彈性核區(qū)，彈性核區(qū)內(nèi)圍巖應(yīng)力和彈性能高度集中，具有較高的沖擊危險，不利于礦井安全生產(chǎn)，同時煤柱寬度過大時會降低煤炭資源回采率、降低礦井生產(chǎn)的經(jīng)濟效應(yīng)。

相較于煤柱寬度為15 m，煤柱寬度為8～12 m圍巖應(yīng)力峰值依次降低23.33%、降低3.15%、增大2.13%；圍巖彈性能密度峰值依次降低43.50%、降低14.15%、降低2.15%。為避免區(qū)段煤柱發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害，應(yīng)當(dāng)降低圍巖應(yīng)力集中程度及儲存的彈性能。與工作面現(xiàn)有15 m寬區(qū)段煤柱相比，8～12 m寬煤柱中，8 m寬煤柱應(yīng)力和彈性能密度降幅最大，沖擊危險性最小。因此，綜合煤柱隔絕采空區(qū)作用、支撐作用和沖擊危險性，認(rèn)為區(qū)段煤柱寬度應(yīng)當(dāng)為8 m。

4 結(jié) 論

1)15 m寬度區(qū)段煤柱圍巖應(yīng)力集中，回采過微震事件頻繁、能量釋放劇烈，增大了I010203工作面沖擊危險；在高應(yīng)力作用下15 m寬區(qū)段煤柱未完全破壞，高集中應(yīng)力向下傳遞至下伏煤層，增大了下煤層回采工作面沖擊危險性；不合理的煤柱寬度從開采開拓布局角度增大沖擊危險，對礦井沖擊地壓危險造成持續(xù)性影響。

2)煤柱寬度為0～6 m時，煤柱內(nèi)煤體破碎程度高，承載能力低，不利于隔絕采空區(qū)有毒有害氣體，也不利于預(yù)防瓦斯及維持臨空巷道穩(wěn)定性；煤柱寬度大于12 m時，煤柱內(nèi)出現(xiàn)在彈性核區(qū)，彈性核區(qū)增大了本回采工作面和下煤層回采工作面的沖擊危險，為提高煤炭開采率和降低沖擊危險，煤柱寬度應(yīng)不大于12 m；相較于現(xiàn)有的15 m區(qū)段煤柱，煤柱寬度為8～12 m時，8 m寬度區(qū)段煤柱圍巖應(yīng)力和彈性能降幅最大，沖擊危險性最低，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)留設(shè)8 m寬區(qū)段煤柱。