楊志弘

(山西忻州神達南岔煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700)

我國地下煤礦廣泛采用綜采工藝，特別針對近距離煤層綜采工作面而言，工作面間往往留設一定寬度的區(qū)段煤柱，其作用一方面在于隔離采空區(qū)，另一方面在于保證下區(qū)段巷道的穩(wěn)定[1]。如果煤柱留設寬度較小，將導致煤柱應力擾動范圍內(nèi)的巷道變形嚴重，不利于巷道穩(wěn)定；如果煤柱寬度較大，將造成不必要的資源損失與浪費。因此，合理的煤柱留設寬度對于工作面巷道的穩(wěn)定及礦產(chǎn)資源高效回收具有重要影響[2-3]。針對近距離煤層回采條件，通過對原留設區(qū)段煤柱尺寸進行合理優(yōu)化，對于礦山安全高效開采至關重要[4-6]。

在煤柱尺寸優(yōu)化研究方面，趙鐵林[7]采用理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的研究方法，分析了特厚煤層綜放開采沿空掘巷煤柱寬度的合理尺寸為6 m；裴治[8]采用實驗室測試和數(shù)值模擬方法對王村煤礦護巷煤柱的穩(wěn)定性進行了分析研究，指出12 m煤柱可以兼顧煤柱穩(wěn)定性和提高采出率的要求；商鐵林等[9]分析了上覆巖層的垮落結(jié)構(gòu)和區(qū)段煤柱的受力狀態(tài)，給出了區(qū)段煤柱合理寬度的理論計算公式。綜合文獻分析，對于煤柱尺寸優(yōu)化研究主要集中在單一煤層開采工藝條件，對于近距離煤層開采，下伏煤層巷道布置及區(qū)段煤柱留設尺寸留設主要受上伏煤層區(qū)段煤柱應力擾動影響，針對近距離下伏煤層區(qū)段煤柱合理尺寸優(yōu)化方法有待進一步研究。

為此，本文以某礦近距離煤層開采為工程背景，分析了不同煤柱寬度支承壓力分布特征，給出了下煤層應力極限平衡區(qū)寬度理論修正計算式，結(jié)合數(shù)值模擬分析確定了合理的下伏煤層區(qū)段煤柱尺寸，在保證工作面巷道的穩(wěn)定的同時，有效釋放了煤柱資源。

1 工作面概況

某煤礦礦井面積177 km2，煤炭儲量15.42 億t，其中可采儲量9.27億t.3號煤層平均厚度為2.25 m， 4號煤層厚度4.65～5.85 m，平均厚度5.3 m，煤層傾角0～3°，平均傾角0.8°，4號煤層中下部普遍含一層夾矸，局部區(qū)域中上部含一層夾矸，巖性為褐黃色泥巖，平均厚0.1 m.兩煤層平均間距約為10 m，煤巖體綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

礦井工作采用綜采一次采全高、后退式全部垮落法管理頂板，相鄰工作面之間留設24 m寬度的區(qū)段煤柱，45203工作面布置情況如圖2所示。工作面開采過程中，為保證合理有效回收煤炭資源，減少資源損失，特開展近距離下伏煤層合理區(qū)段煤柱尺寸確定方法研究，通過對原24 m寬區(qū)段煤柱尺寸進行合理優(yōu)化，釋放煤柱資源，實現(xiàn)工作面安全高效開采。

圖2 45203工作面布置圖

2 不同煤柱寬度支承壓力分布特征分析

當區(qū)段煤柱兩側(cè)工作面回采結(jié)束后，根據(jù)留設煤柱寬度的不同，其應力分布特征主要表現(xiàn)為以下兩種類型。

1) 大煤柱條件。當區(qū)段煤柱寬度(24 m)較大時，煤柱兩側(cè)支承壓力由邊緣向內(nèi)部逐漸增加至峰值后不能降低至原巖應力水平，而是在中部產(chǎn)生支承壓力疊加，如圖3所示。煤柱兩側(cè)塑性區(qū)范圍較小，煤柱中部全為應力增高彈性區(qū)，有利于煤柱整體的穩(wěn)定。

圖3 大煤柱條件垂直應力分布圖

2) 小煤柱條件。當煤柱尺寸(8 m)較小時，煤柱兩側(cè)支承壓力峰值將產(chǎn)生疊加，導致煤柱中部支承壓力趨近于兩側(cè)峰值壓力大小，如圖4所示。受煤柱兩側(cè)工作面采動影響，峰值處的應力集中系數(shù)可達4～5倍，煤柱在長期較高的支承壓力作用下更容易發(fā)生塑性破壞。

圖4 小煤柱條件垂直應力分布

綜合分析，在工作面煤柱兩側(cè)采空條件下，煤柱寬度越小，煤柱所受載荷越集中，峰值應力向內(nèi)轉(zhuǎn)移，中部彈性核范圍減小，塑性區(qū)寬度增大，因此，在確定煤柱合理寬度時，應當考慮煤柱所處應力環(huán)境的影響。

3 區(qū)段煤柱合理尺寸理論計算分析

3.1 區(qū)段煤柱極限平衡區(qū)力學模型構(gòu)建

將煤體簡化成均勻、連續(xù)、各向同性的理想彈-塑性材料，認為區(qū)段煤柱首先從邊緣發(fā)生破壞，且塑性破壞范圍逐漸向內(nèi)擴展，一直到與內(nèi)部彈性區(qū)交界處，并達到極限平衡狀態(tài)，利用極限平衡理論[10]，建立煤柱極限平衡區(qū)力學模型如圖5所示。

圖5 煤柱極限平衡區(qū)力學模型

根據(jù)建立的煤柱力學模型可知，由于煤體與頂?shù)装鍘r層交界面的粘聚力C0和摩擦角φ0較煤體的小，在頂板巖層應力作用下，煤體與頂板巖層在分界面將發(fā)生相對運動，并伴有剪應力τxy產(chǎn)生，在剪應力作用下，煤體發(fā)生破壞，假設不考慮體積力，建立煤層界面應力平衡微分方程：

(1)

式中：C0為煤層界面內(nèi)聚力，MPa；φ0為煤層界面內(nèi)摩擦角，°.

應力邊界條件為：當x=0時，σx=Px，σy=Px/A；當x=x0時，σx=γH,σy=σyl.

結(jié)合應力邊界條件，并根據(jù)應力分析及具體推導過程，可得煤層界面應力為：

(2)

式中：Px為錨桿支護對煤柱幫部的支護力，MPa；A為煤層的側(cè)壓力系數(shù)；γ為煤層頂板巖層的平均容重，kN/m3；σyl為煤柱極限強度，MPa.

應力極限平衡區(qū)寬度x0為：

(3)

煤柱兩側(cè)受掘進及采動影響形成一定范圍的塑性破壞區(qū)，塑性區(qū)內(nèi)的煤體對內(nèi)部煤體產(chǎn)生一定的側(cè)向應力，即塑性約束，煤柱峰值應力介于單向和三向受力狀態(tài)區(qū)域之間。因此，煤柱極限抗壓強度為：

σyl=2.729(ησc)0.729

(4)

式中：η為流變系數(shù)；σc為煤體試件單軸抗壓強度，MPa.

將公式(4)帶入公式(3)可得，應力極限平衡區(qū)寬度x0為：

(5)

由于三盤區(qū)煤層已回采完畢，在四盤區(qū)上方形成采空區(qū)和遺留煤柱，采空區(qū)和遺留煤柱在底板分別形成一定范圍的卸壓區(qū)和應力增高區(qū)，如圖6所示。隨著四盤區(qū)煤層回采結(jié)束，將會形成采空區(qū)重疊、煤柱重疊情況，四盤區(qū)煤層區(qū)段煤柱不可避免地布置在上部已采煤層形成的應力影響區(qū)內(nèi)。

圖6 煤柱底板應力分布

對于近距離煤層開采，在確定下煤層區(qū)段煤柱合理寬度時，有必要探討上部已采煤層遺留煤柱或采空區(qū)底板應力分布的影響，因此，在下煤層區(qū)段煤柱寬度計算過程中，提出近距離煤層開采影響系數(shù)α，按公式(6)計算：

(6)

式中：σz為上煤層遺留煤柱(采空區(qū))底板在該處的垂直應力值，Pa；γ為下煤層上覆巖層平均容重，N/m3；Hd為下煤層埋深，m.

圖7 煤柱彈塑性變形區(qū)

針對近距離層開采條件下，下煤層應力極限平衡區(qū)寬度理論計算修正公式為：

(7)

3.2 區(qū)段煤柱合理寬度確定

對于四盤區(qū)段煤柱的確定，需考慮三盤區(qū)開采的影響，四盤區(qū)工作面平均埋深200 m，與三盤區(qū)煤層間距為10 m.受三盤區(qū)煤層遺留煤柱影響，在底板10 m附近處的應力值為5.35 MPa，帶入公式(6)求得，三盤區(qū)煤層遺留煤柱影響系數(shù)α為1.13.

對于四盤區(qū)煤層，η取0.749，σc取13.8 MPa，m取3.1 m，A取0.9，C0取1.2 MPa，φ0取26°，Px取0.6 MPa，α取1.13，將參數(shù)帶入公式(5)計算可得：煤柱下45203工作面區(qū)段煤柱回采幫塑性區(qū)寬度x0取2.97 m，煤柱幫錨桿有效支護長度x1為1.8 m，根據(jù)四盤區(qū)區(qū)段煤柱位于三盤區(qū)遺留煤柱下方，根據(jù)區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的基本條件，k取4，帶入公式(7)可得：四盤區(qū)區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的最小寬度B為17.17 m.

4 區(qū)段煤柱尺寸優(yōu)化數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型構(gòu)建

以該礦4盤區(qū)實際工程條件為背景，構(gòu)建數(shù)值模型尺寸為：700 m×200 m×120 m，共劃分594 562個單元，煤巖體物理力學參數(shù)見表1.

表1 煤巖體物理力學參數(shù)

四盤區(qū)原有區(qū)段煤柱尺寸為24 m，由于巷道在該尺寸區(qū)段煤柱下穩(wěn)定性較好，故考慮在保證煤柱穩(wěn)定的前提下縮減煤柱尺寸。因此，分別選取區(qū)段煤柱寬度24 m、20 m、17 m、14 m時塑性破壞情況進行模擬分析，最終確定四盤區(qū)區(qū)段煤柱最佳尺寸。

4.2 數(shù)值結(jié)果分析

不同寬度區(qū)段煤柱塑性區(qū)變化情況如圖8所示。區(qū)段煤柱在工作面回采后，受側(cè)向支承壓力影響，區(qū)段煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性區(qū)，塑性區(qū)深度隨著煤柱尺寸的縮減逐漸增大，而且區(qū)段煤柱內(nèi)部的彈性區(qū)寬度隨煤柱寬度的減小而減小。當區(qū)段煤柱寬度為24 m時，煤柱中部彈性區(qū)寬度為16.3～22.4 m，塑性區(qū)寬度為1.7～5.8 m；當區(qū)段煤柱寬度為20 m時，彈性區(qū)寬度為14.6～18.5 m，塑性區(qū)寬度為2.2～6.4 m；當區(qū)段煤柱寬度為17 m時，彈性區(qū)寬度為10.2～14.3 mm，塑性區(qū)寬度為2.5～6.8 m；當區(qū)段煤柱寬度為14 m時，塑性區(qū)貫穿整個煤柱，區(qū)段煤柱失去支撐作用。綜合分析，四盤區(qū)區(qū)段煤柱寬度不應小于17 m.

圖8 不同寬度區(qū)段煤柱塑性區(qū)分布圖

三盤區(qū)區(qū)段煤柱底板巖層應力及位移分布情況如圖9所示。

圖9 區(qū)段煤柱底板巖層應力及位移分布圖

在現(xiàn)有巷道及工作面布置下，四盤區(qū)運輸巷位于三盤區(qū)遺留煤柱下應力集中區(qū)域左下方，所受垂直應力較大，為10～11 MPa.根據(jù)工作面布置方式，運輸巷由于上工作面的布置情況，位置已經(jīng)固定。因此，通過改變輔運巷的位置來縮減區(qū)段煤柱尺寸。由于輔運巷處在三盤區(qū)煤層采空區(qū)下方，所受垂直應力較小，為3～5 MPa.因此將輔運巷向運輸巷方向移動6.8 m，使巷道處在5～8 MPa應力水平下，此時巷道最大垂直位移量為18 mm，巷道穩(wěn)定性較好。因此，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知四盤區(qū)區(qū)段煤柱位于三盤區(qū)遺留煤柱下時，合理煤柱寬度為17.2 m.

綜上所述，當四盤區(qū)區(qū)段煤柱位于三盤區(qū)遺留煤柱下時，區(qū)段煤柱合理尺寸為17.2 m，這一結(jié)果與理論計算得到的17.17 m區(qū)段煤柱寬度較為接近，進一步驗證了理論分析的可靠性，最終確定合理區(qū)段煤柱尺寸為17.2 m.由于原區(qū)段煤柱為24 m，通過煤柱尺寸優(yōu)化，區(qū)段煤柱尺寸減小6.8 m，有效提高了煤柱資源的回收率。

5 結(jié) 語

1) 通過分布不同煤柱寬度的支撐應力分布特征，在工作面煤柱兩側(cè)采空條件下，煤柱寬度越小，煤柱所受載荷越集中，峰值應力向內(nèi)轉(zhuǎn)移，中部彈性核范圍減小，塑性區(qū)寬度隨之增大。

2) 通過構(gòu)建區(qū)段煤柱極限平衡區(qū)力學模型，給出了下煤層應力極限平衡區(qū)寬度確定的理論修正計算式，可得到區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的最小寬度為17.17 m.

3) 通過數(shù)值模擬分析，區(qū)段煤柱兩側(cè)產(chǎn)生的塑性區(qū)，其深度隨著煤柱尺寸的縮減逐漸增大，四盤區(qū)區(qū)段煤柱寬度不應小于17 m.研究提出將輔運巷向運輸巷方向移動6.8 m，此時巷道所受應力為5～8 MPa，最大垂直位移為18 mm，由此確定合理煤柱寬度為17.2 m.區(qū)段煤柱尺寸減小6.8 m，有效提高了煤柱資源的回收率。