閆 鑫

（晉能控股集團(tuán)翼城華泓煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 043500）

0 引 言

我國近距離煤層分布廣泛[1,2]，開采中為了避免上伏煤層遺留煤柱對下伏煤層回采巷道造成應(yīng)力擾動影響，下煤層往往留設(shè)較大的區(qū)段煤柱[3,4]，導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)重，確定合理的煤柱尺寸對于有效回收煤柱資源及保證巷道的穩(wěn)定至關(guān)重要。在這方面研究中，王泓博等[5]指出區(qū)段煤柱寬度、埋深、煤柱邊緣至峰值區(qū)的距離及其垂直應(yīng)力峰值控制著應(yīng)力增高區(qū)的發(fā)育，確定煤柱- 巷道錯距10～15 m 為優(yōu)選區(qū)間；劉超等[6]針對近距離煤層開采過程中下位煤層回采巷道受上位煤層開采影響煤柱應(yīng)力集中、巷道支護(hù)困難等問題，提出了一種內(nèi)外錯相結(jié)合的回采巷道布置方式；王貴平[7]采用UDEC2D數(shù)值軟件，得出了近距離采空區(qū)下巷道圍巖應(yīng)力和破壞場分布隨煤柱寬度的變化規(guī)律，計(jì)算得出近距離煤層采空區(qū)綜采工作面煤柱寬度為14.23 m；李俊星[8]采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，分析了3 種煤柱寬度條件下回采巷道圍巖應(yīng)力情況，最后確定現(xiàn)場留設(shè)煤柱寬度為6 m。綜合文獻(xiàn)分析，對于近距離煤層下區(qū)段煤柱尺寸的確定主要集中在煤柱與巷道錯距及煤柱尺寸優(yōu)化方面，對于上區(qū)段煤柱與采空區(qū)影響下煤柱尺寸動態(tài)優(yōu)化方法提及較少，有待進(jìn)一步研究。針對鑫達(dá)礦近距離煤層回采過程中存在的煤柱尺寸留設(shè)不合理導(dǎo)致的資源浪費(fèi)問題，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，分析了近距離煤層回采擾動下區(qū)段煤柱尺寸動態(tài)優(yōu)化方法，有效釋放了煤柱資源，實(shí)現(xiàn)了近距離煤層資源的安全高效開采。

1 工程概況

鑫達(dá)礦四盤區(qū)45203 工作面主采5-2 煤層，煤層傾角1°～3°，厚度2.78～4.1 m，煤層中下部含夾矸，巖性為褐黃色泥巖，厚度0.06～0.12 m；工作面正上方為三盤區(qū)35104 采空區(qū)，北鄰45202 工作面采空區(qū)，煤層埋深108.7～212.9 m，回采范圍內(nèi)兩盤區(qū)煤層平均間距為11 m。煤巖體綜合柱狀圖見圖1，工作面布置情況見圖2。工作面回采過程中工作面間普遍留設(shè)24 m 厚煤柱，在保證工作面回采安全的同時，為了實(shí)現(xiàn)煤柱資源回收最大化，特開展下區(qū)段煤柱尺寸動態(tài)優(yōu)化技術(shù)攻關(guān)。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

圖2 45203 工作面布置圖

2 下伏煤層煤柱應(yīng)力分布特征

煤柱較大時，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(yīng)力水平，而是在中部產(chǎn)生支承壓力疊加，如圖3 所示。

圖3 煤柱較大時垂直應(yīng)力分布

煤柱較小時，煤柱兩側(cè)支承壓力峰值將產(chǎn)生疊加，導(dǎo)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(yīng)力集中系數(shù)顯著增加，煤柱在長期較高的支承壓力作用下易發(fā)生塑性破壞。

圖4 煤柱較小時垂直應(yīng)力分布

由以上分析可知，隨著下伏煤層煤柱寬度的減小，將增加煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中顯現(xiàn)程度，導(dǎo)致高應(yīng)力區(qū)向煤柱內(nèi)部傳導(dǎo)，減小煤柱內(nèi)部彈性區(qū)作用范圍，降低煤柱承載能力。因此，下伏煤層煤柱塑性區(qū)寬度對煤柱穩(wěn)定性具有重要影響，單純的縮小煤柱尺寸將導(dǎo)致煤柱支撐作用失效，需要根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行重點(diǎn)分析，最終確定合理煤柱留設(shè)寬度。

3 下伏煤層區(qū)段煤柱尺寸動態(tài)優(yōu)化方法

3.1 煤柱塑性區(qū)寬度確定

煤柱尺寸合理與否對于其自身承載能力、巷道的穩(wěn)定都會產(chǎn)生一定影響，而保持煤柱穩(wěn)定的必要前提就是在煤柱中要存在一定寬度的彈性核區(qū)，為此保持煤柱穩(wěn)定的最小寬度表達(dá)式如下：

式中：m為煤層厚度，m；x'0為應(yīng)力極限平衡區(qū)塑性區(qū)寬度，m；x1為巷幫支護(hù)長度，m；k為應(yīng)力集中系數(shù)。

假定煤柱首先從邊緣發(fā)生破壞，且塑性破壞范圍逐漸向內(nèi)擴(kuò)展，一直到與內(nèi)部彈性區(qū)交界處，并達(dá)到極限平衡狀態(tài)，利用極限平衡理論，建立如圖5 所示煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型[9]。

圖5 煤柱極限平衡區(qū)力學(xué)模型

根據(jù)圖4 可知，在頂板巖層應(yīng)力作用下，煤體與頂板巖層在分界面將發(fā)生相對運(yùn)動，并伴有剪應(yīng)力τxy 產(chǎn)生，在剪應(yīng)力作用下，煤體發(fā)生破壞，假設(shè)不考慮體積力，可得煤層界面應(yīng)力表達(dá)式為：

式中：Px 為錨桿支護(hù)強(qiáng)度，MPa；A為側(cè)壓系數(shù)；γ為覆巖平均容重，kN/m3；σyl為煤柱極限載荷，MPa；C0為內(nèi)聚力，MPa；φ0為內(nèi)摩擦角，°。

應(yīng)力極限平衡區(qū)的塑性區(qū)寬度x0的計(jì)算式如下：

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(yīng)力，基于Irwin 塑性約束系數(shù)，煤體塑性約束系數(shù)表達(dá)式為[6]：

式中：η為流變系數(shù)；σc為煤柱抗壓強(qiáng)度，MPa。

故煤柱極限抗壓強(qiáng)度為：

將式（5）帶入式（3）可得，應(yīng)力極限平衡區(qū)的塑性區(qū)寬度x0為：

對于多煤層開采，在確定下煤層區(qū)段煤柱穩(wěn)定寬度時，應(yīng)探討上部已采煤層遺留煤柱或采空區(qū)底板應(yīng)力分布的影響，因此，在下煤層區(qū)段煤柱寬度計(jì)算過程中，提出多煤層開采影響系數(shù)α，按下式計(jì)算：

式中：σz為上煤層遺留煤柱（采空區(qū)）底板在該處的垂直應(yīng)力值，Pa；Hd為下伏煤層深度值，m。

α取值與開采煤層數(shù)有關(guān)，當(dāng)兩層煤開采時，下煤層區(qū)段煤柱位于上煤層底板卸壓區(qū)時，α=1；位于上煤層底板應(yīng)力增高區(qū)時，α=1～3。此時煤柱塑性區(qū)寬度為x'0，如圖6 所示。

圖6 煤柱塑性區(qū)寬度分布圖

針對多煤層開采條件下，煤柱塑性區(qū)寬度理論計(jì)算修正公式為：

四盤區(qū)工作面平均埋深200 m，兩煤層間距為11 m。受上區(qū)段遺留煤柱影響，在底板處的應(yīng)力值為5.2 MPa，帶入式（7）計(jì)算得到三盤區(qū)煤層遺留煤柱影響系數(shù)α=1.13。

對于現(xiàn)采四盤區(qū)煤層，η=0.75，σc=13.7 MPa，m=3.1m，A=0.9，C0=1.2 MPa，φ0=26°，Px=0.6 MPa，α=1.13，帶入式（8）計(jì)算可得x'0=2.97 m。當(dāng)四盤區(qū)煤柱位于三盤區(qū)遺留煤柱下方時，下區(qū)段煤柱位于高應(yīng)力擾動區(qū)，此時k= 3.5，x1= 2.7 m，帶入式（1）得到此時煤柱最小穩(wěn)定寬度為17.45 m；當(dāng)四盤區(qū)煤柱位于三盤區(qū)采空區(qū)下方時，下區(qū)段煤柱所受應(yīng)力有所降低，此時k= 2.9，x1= 2.7 m，帶入式（1）得到此時煤柱最小穩(wěn)定寬度為14.66 m。

3.2 煤柱尺寸優(yōu)化數(shù)值模擬分析

3.2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

通過建立FLAC3D計(jì)算模型，對下伏煤層煤柱合理尺寸優(yōu)化展開研究，為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，在確定煤柱最佳尺寸時將區(qū)段煤柱及周圍網(wǎng)格化分為0.5m×0.5 m 的小塊體，構(gòu)建數(shù)值模型尺寸為：600m×250m×150m，共劃分635932 個單元，模型底部及四周進(jìn)行位移約束，上部施加載荷等效上覆巖層自重，巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2.2 數(shù)值結(jié)果分析

1）當(dāng)四盤區(qū)區(qū)段煤柱位于三盤區(qū)遺留煤柱下方。由圖7 模擬結(jié)果可知，下伏煤層的四盤區(qū)運(yùn)輸巷處于上區(qū)段遺留煤柱高應(yīng)力影響的邊界位置，該位置的垂直應(yīng)力達(dá)10～11 MPa，巷道已掘進(jìn)完成無法改變，可對下區(qū)段四盤區(qū)運(yùn)巷的位置進(jìn)行調(diào)整，將其布置在上區(qū)段煤柱低應(yīng)力擾動區(qū)邊界位置（圖7a），該處所受垂直應(yīng)力為3～5 MPa，巷道最大垂直位移量僅為16 mm，此時所留煤柱寬度為17.5 m，與理論計(jì)算結(jié)果比較吻合。

2）當(dāng)四盤區(qū)區(qū)段煤柱位于三盤區(qū)采空區(qū)下方。根據(jù)圖8 所示數(shù)值模擬結(jié)果可知，四盤區(qū)輔運(yùn)巷位于三盤區(qū)采空區(qū)下方，所受垂直應(yīng)力和垂直位移量均很小，若兩巷道和區(qū)段煤柱均布置于此應(yīng)力水平下，完全可以滿足煤礦安全生產(chǎn)的需要。采空區(qū)下垂直應(yīng)力約0.5 MPa，而在遺留煤柱下垂直應(yīng)力可達(dá)到7～13 MPa。因此考慮將四盤區(qū)工作面巷道和區(qū)段煤柱均置于三盤區(qū)采空區(qū)下方以保證巷道和區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性。當(dāng)區(qū)段煤柱上方為實(shí)體巖層時，區(qū)段煤柱合理尺寸為15 m 時，可以保持區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性，與理論計(jì)算結(jié)果比較吻合。

圖8 煤柱下和采空區(qū)下應(yīng)力分布圖

綜合分析，當(dāng)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17.5 m，若將區(qū)段煤柱布置于采空區(qū)下，區(qū)段煤柱合理尺寸為15 m。

4 煤柱優(yōu)化后四盤區(qū)巷道支護(hù)方法

對下區(qū)段四盤區(qū)煤柱尺寸優(yōu)化后，為進(jìn)一步保證調(diào)整后四盤區(qū)輔運(yùn)巷的穩(wěn)定，還需對四盤區(qū)輔運(yùn)巷實(shí)施有效支護(hù)，其中巷道采用φ22 mm×2 700 mm 高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.7 m，間排距為0.75 m×0.75 m，巷道中部錨桿垂直頂板及兩幫布置，巷道邊側(cè)錨桿與巷道頂板及兩幫呈45°夾角。頂錨索采用φ18.9 mm×8 000 mm 高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，頂錨索長度8.0 m，間排距為1.7 m×1.2 m，排與排之間采取“232”交錯布置方式；煤柱幫補(bǔ)打錨索長度為5.0 m，間排距為1.8 m×1.2 m，。鋼筋梯子梁采用φ14 mm 圓鋼焊制而成，長度為2 600 mm 與1 700 mm，寬度80 mm，在安裝錨桿的位置焊接上2 道縱筋，縱筋間距80 mm，以便安裝錨桿。巷道支護(hù)斷面見圖9。

圖9 巷道支護(hù)斷面圖

5 現(xiàn)場實(shí)踐效果分析

針對研究提出的近距離煤層下區(qū)段煤柱尺寸動態(tài)優(yōu)化方法在四盤區(qū)進(jìn)行了工程實(shí)踐，并對煤柱優(yōu)化后的四盤區(qū)輔運(yùn)巷變形情況進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖10。可以看出，巷道整體變形表現(xiàn)為緩慢增長- 快速增長- 平穩(wěn)波動變化特征，變形趨于穩(wěn)定后，頂板最大下沉量為165 mm，煤柱幫最大位移量為154 mm，回采幫最大位移量145 mm，巷道整體變形較小，在允許范圍內(nèi)，優(yōu)化后的煤柱尺寸滿足巷道穩(wěn)定要求，實(shí)現(xiàn)了煤柱資源的有效回收。

圖10 巷道變形監(jiān)測結(jié)果

6 結(jié) 論

1）隨著下伏煤層煤柱寬度的減小，將增加煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中顯現(xiàn)程度，導(dǎo)致高應(yīng)力區(qū)向煤柱內(nèi)部傳導(dǎo)，降低煤柱承載能力，確定煤柱合理寬度時，應(yīng)充分考慮煤柱塑性區(qū)分布情況。

2）理論確定了下伏煤層塑性區(qū)寬度理論修正式，計(jì)算得到上伏遺留煤柱影響系數(shù)為1.13，結(jié)合數(shù)值模擬分析，優(yōu)化后區(qū)段煤柱位于遺留煤柱下合理寬度為17.5 m，位于采空區(qū)下的合理寬度為15 m，驗(yàn)證了理論計(jì)算結(jié)果的可靠性。

3）針對煤柱優(yōu)化后的四盤區(qū)輔運(yùn)巷，提出了“錨桿+錨索+鋼筋梯子梁”聯(lián)合支護(hù)方法，通過現(xiàn)場實(shí)踐，變形趨于穩(wěn)定后，頂板最大下沉量為165 mm，煤柱幫最大位移量為154 mm，回采幫最大位移量為145 mm，整體穩(wěn)定性較好，實(shí)現(xiàn)了煤柱尺寸的動態(tài)優(yōu)化，有效釋放了煤柱資源。