王亞飛

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

0 引 言

能源賦存結構特征決定了煤炭是我國的主要消費能源，支撐著國民經濟的快速發(fā)展，雖然國家推廣能源結構向綠色轉變，但是煤炭的需求量和開采強度仍然在持續(xù)增加[1-2]，目前在中東部礦區(qū)，淺部優(yōu)質的煤炭資源已逐漸開采殆盡，提高煤炭回收率也逐漸引起重視。專家學者提出了無煤柱開采技術，并得到了廣泛應用，無煤柱開采技術主要包括沿空掘巷和沿空留巷2 種[3-4]，其中，沿空掘巷是沿上區(qū)段采空區(qū)留設一定寬度（一般為3～14 m）的煤柱掘進下區(qū)段的回采巷道，該技術的在于煤柱寬度的確定，煤柱寬度較寬，煤柱長期受支承壓力影響（處于應力增高區(qū)），不利于煤柱穩(wěn)定，而煤柱寬度較窄時則不利于采空區(qū)密閉，都會造成適得其反的效果[5-6]，本文以龐龐塔礦10 號煤層綜放工作面沿空掘巷為工程背景，通過理論計算綜放沿空掘巷煤柱合理寬度，同時進一步采用數(shù)值模擬的方法進行10 號煤層綜放沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化研究。

1 工程背景

龐龐塔煤礦位于山西臨縣，礦井主采太原組中下部10 號煤層，煤厚11.8 m，傾角15°，煤層直接頂為厚16.0 m 的深灰色石灰?guī)r，致密塊狀，節(jié)理發(fā)育，性堅韌；偽頂為0.5～1 m 厚的灰色泥巖，中厚層狀；底板為3.0 m 厚的淺黑色砂質泥巖，薄層狀，裂隙發(fā)育。10 號煤層用綜放開采工藝，工作面采高3.0 m，放煤高度8.8 m，采放比2.93∶1，采用單向割煤、單輪順序放煤工藝，一采一放，割煤、放煤步距均為0.8 m。煤層1、7 采區(qū)工作面區(qū)段煤柱寬度普遍在20 m 以上，煤柱損失量較大，為提高煤炭回收率，龐龐塔礦計劃開展區(qū)段小煤柱沿空掘巷工業(yè)性試驗。

2 綜放沿空掘巷煤柱合理寬度理論計算

2.1 沿空掘巷覆巖破斷模型

工作面自開切眼向前推進一段距離時，首先在懸露基本頂巖層的中央位置及2 個長邊位置形成平行的斷裂線，然后再在短邊形成斷裂線，并與長邊斷裂線相互貫通，最后基本頂巖層沿貫通的斷裂線發(fā)生回轉且形成形成結構塊（巖塊B 和C），基本頂巖層在采空區(qū)中部接觸矸石后，運動較平緩，基本頂巖層初次破斷后的平面圖形近似呈橢圓狀，隨著工作面的繼續(xù)推進，頂板巖層周邊斷裂線回轉形成周期性垮落，又形成新的結構塊[7]。

在沿空掘巷時，直接頂巖層受到關鍵塊體（巖塊B）的運動而旋轉下沉，關鍵塊體（巖塊B）的穩(wěn)定情況直接影響到沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定，一般來說，煤柱寬度較窄時將無法阻止上覆關鍵塊體（巖塊B）的旋轉下沉，基本頂巖層破斷下沉時，窄煤柱將進入塑性屈服狀態(tài)，以適應關鍵塊體（巖塊B）的旋轉下沉，減小對窄煤柱的壓力[7]。

圖1 沿空掘巷覆巖破斷模型

2.2 關鍵塊B 的參數(shù)

關鍵塊相關的參數(shù)主要包括塊體沿推進方向的長度、側向跨度以及斷裂位置。

圖2 關鍵塊B 的主要參數(shù)

1）關鍵塊沿推進方向的長度L1為基本頂周期來壓步距，根據(jù)10 號煤層已采工作面礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測，周期來壓平均步距為24 m。

2）關鍵塊側向跨度L2為基本頂斷裂后塊體沿采場傾向的懸跨長度，可采用公式（1）計算得到：

式中:工作面取200 m，L1取24 m，計算得到關鍵塊側向跨度L2=24.6 m。

3）關鍵塊斷裂位置一般位于煤體彈塑性交接處，可采用公式（2）計算得到：

式中：工作面采高m取9.89 m（考慮頂煤回收率），側壓系數(shù)A取0.2，工作面開采煤層煤體內摩擦角φ0、內聚力C0分別取12°、1.2 MPa，應力集中系數(shù)K、上覆巖層容重γ分別取2.5、25 kN/m3，巷道埋深H取400 m。

經計算關鍵塊斷裂位置X0=5.0 m。

2.3 煤柱合理寬度的理論計算

煤柱合理寬度應包括煤幫塑性區(qū)寬度、錨桿長度以及煤柱安全系數(shù)，采用公式（3）計算：

式中:X1為煤幫塑性區(qū)寬度，根據(jù)關鍵塊斷裂位置確定，取5.0 m；X2為錨桿長度取2.0 m；X3為煤柱安全系數(shù)?。?.15～0.35）·（Xl+X2）。

經計算，龐龐塔礦10 號煤層綜放面區(qū)段煤柱寬度應在8～9.5 m 范圍。

3 煤柱寬度對煤柱應力演化的影響分析

建立基于龐龐塔礦10 號煤層實際生產地質條件的FLAC3D數(shù)值計算模型，分析不同階段不同煤柱寬度下煤柱應力分布規(guī)律。

3.1 上區(qū)段工作面回采后圍巖應力分布特征

圖3 給出了上區(qū)段工作面回采后圍巖應力分布云圖，如圖所示，受上區(qū)段工作面回采影響，采場圍巖應力在較大范圍內進行了重新分布，在工作面頂?shù)装鍘r層中出現(xiàn)大范圍的卸壓區(qū)域，而工作面端頭位置出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，由圖可知，在距工作面端頭8 m 以內區(qū)域為應力降低區(qū)，距離工作面端頭10～15 m 區(qū)域為應力集中區(qū)，應力核區(qū)內垂直應力最高達30 MPa 以上。

圖3 圍巖應力分布云圖

圖4 給出了上區(qū)段工作面回采后的側向支承壓力分布曲線圖，從圖中可以看出，工作面煤層內原巖應力為12.5 MPa，距離采空區(qū)邊緣0～9.0 m 范圍內煤體垂直應力低于原巖應力，屬于應力降低區(qū)，煤柱內支承應力峰值為32.0 MPa，距離采空區(qū)邊緣13.0 m，集中系數(shù)2.5。

圖4 側向支承壓力分布

3.2 掘巷階段圍巖應力分布特征

圖5 給出了掘巷階段煤柱寬度為6、7、8、9 m對應的巷道圍巖應力分布云圖，有圖可知，不同煤柱寬度下的巷道圍巖均處于應力降低區(qū)，距離巷道上幫5～15 m 區(qū)域為煤體應力集中區(qū)，應力核區(qū)內垂直應力25～32 MPa。

圖5 掘巷階段巷道圍巖應力分布

圖6 掘巷階段底板垂直應力分布

圖6 給出了掘巷階段煤柱寬度為6、7、8 、9 m對應的底板垂直應力分布曲線圖（取煤層底板以下3 m 沿傾向作1 條觀測線），從圖中可以看出，當煤柱寬度由6.0 m 增加至9.0 m 時，煤層底板觀測線傳播的最大應力3.0 MPa 增加至6.5 MPa，均低于原巖應力（12.5 MPa），巷道均處于應力降低區(qū)，底板觀測線傳播應力峰值為26.0～28.0 MPa。

3.3 二次回采階段圍巖應力分布特征

圖7 給出了二次回采階段煤柱寬度為6、7、8、9 m 對應的二次圍巖應力分布云圖，如圖所示，二次回采階段不同寬度的煤柱都處于卸壓破碎狀態(tài)，雖然巷道圍巖處于應力降低區(qū)，但煤柱出現(xiàn)了嚴重的破碎變形，煤柱應力分布對比發(fā)現(xiàn)，煤柱寬度9 m時，中部出現(xiàn)寬度1.5～2 m 彈性核區(qū)，有利于保持煤柱的穩(wěn)定性。

圖8 給出了回采階段煤柱寬度為6、7、8、9 m對應的底板垂直應力分布曲線圖（取煤層底板以下3 m 沿傾向作1 條觀測線），從圖中可以看出，當煤柱寬度由6.0 m 增加至9.0 m 時，煤層底板觀測線傳播的最大應力2.6 MPa 增加至3.5 MPa，均顯著低于原巖應力（12.5 MPa），煤柱寬度為6.0 m 時，應力曲線呈單峰分布，煤柱寬度為9.0 m 時，應力曲線呈平底狀分布，表明煤柱寬度為9.0 m 時，煤柱整體承載性較好。

圖7 掘巷階段巷道圍巖應力分布

圖8 回采階段時底板垂直應力分布

基于煤柱合理寬度的理論計算結果以及不同階段煤柱寬度對煤柱應力演化的影響規(guī)律，同時，考慮到10 號煤層煤質較軟、小煤柱易片幫等特點，最終確定10 號煤層綜放沿空掘巷煤柱寬度為9 m。

4 煤柱失穩(wěn)條件分析與防治措施

4.1 煤柱的長期穩(wěn)定性

工作面區(qū)段煤柱受長期載荷作用產生蠕變現(xiàn)象，由此造成煤柱變形能否穩(wěn)定，主要取決于上覆巖層作用的載荷和煤柱的臨界承載能力，如果煤柱承受載荷小于其臨界承載能力，那么煤柱僅穩(wěn)定蠕變，不會造成煤柱破壞失穩(wěn)，如果煤柱承受載荷大于其臨界承載能力，那么煤柱將出現(xiàn)不穩(wěn)定蠕變，在長期載荷的作用下將導致煤柱的破壞失穩(wěn)。

由于長期載荷作用，煤柱發(fā)生蠕變，煤柱的強度隨之降低，因此，保證煤柱的長時強度是煤柱穩(wěn)定的一個很重要因素，當煤柱的長時強度在允許范圍內，煤柱可以長期受載，其蠕變變形屬于穩(wěn)定蠕變，資料表明，井下巷道開挖后，其圍巖中的應力重新分布，在初期可保持穩(wěn)定的圍巖，隨時間推移最終可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4.2 煤柱的動力穩(wěn)定性

煤柱的動力穩(wěn)定性是指煤柱在時間的推移下能否保持平衡及其內部結構功能的性質，在外界某種因素的擾動下，如果煤柱力學系統(tǒng)能夠保持原來的平衡或運動狀態(tài)，則煤柱力學系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如果煤柱力學系統(tǒng)不能保持原來的平衡狀態(tài)，則煤柱力學系統(tǒng)是非穩(wěn)定的，即煤柱的動力失穩(wěn)就是煤柱在外界動力作用的影響下，平衡狀態(tài)突然改變的過程[8]。

龐龐塔煤礦10 號煤層采用綜采放頂煤技術之后，開采高度加大，頂板破斷尤其是直接頂16 m 厚的石灰?guī)r破斷有可能導致工作面發(fā)生動力災害，而動力災害又與煤柱穩(wěn)定性密切相關。礦井動力災害發(fā)生時，煤、巖力學系統(tǒng)釋放巨大能量，從而導致煤柱的動力失穩(wěn)，引發(fā)頂板的大面積垮落。

4.3 煤柱失穩(wěn)防治措施

根據(jù)煤柱的長期穩(wěn)定性和動力穩(wěn)定性分析，煤柱失穩(wěn)的條件主要有：①煤柱承載能力低于所受載荷；②煤柱的長時強度小于其發(fā)生非穩(wěn)定蠕變時的載荷；③煤柱的瞬時強度小于所受動力載荷[9]。

1）提高煤柱的承載能力。根據(jù)A.H.Wilson 煤柱力學模型，煤柱的極限承載能力和煤柱寬度直接相關，要提高煤柱的承載能力最方便的手段就是增大煤柱寬度。

2）提高煤柱長時強度。龐龐塔礦10 號煤層內生裂隙發(fā)育，以寬條帶結構為主，其次為線理狀結構，煤層的硬度小、脆度大、結構復雜，含夾矸1～4 層，夾矸性多為炭質泥巖，其硬度相對較小，因此，為提高煤柱長時強度可采取必要的加固措施。

3）預防沖擊載荷。可通過改善巷道圍巖應力分布特征或彈性能集中程度，及時對堅硬頂板進行卸壓處理，防止采空區(qū)大面積懸頂，同時加強煤柱側的巷道支護，提高巷道支護結構抗沖擊能力。

5 結 論

為提高煤炭回收率，龐龐塔礦10 號煤層計劃進行窄煤柱沿空掘巷的工業(yè)性試驗，本文建立了綜放沿空掘巷覆巖破斷模型，理論計算了綜放沿空掘巷煤柱的合理寬度，煤柱寬度應在8～9.5 m 范圍，基于此，分析了掘巷階段和回采階段不同煤柱寬度下圍巖應力演化規(guī)律，考慮到10 號煤層煤質較軟、小煤柱易片幫等特點，最終確定龐龐塔礦10 號煤層綜放沿空掘巷煤柱寬度為9 m，進行了煤柱失穩(wěn)條件分析，并提出了煤柱失穩(wěn)防治措施。