緩傾斜煤層區段煤柱合理寬度留設數值模擬研究

胥克俊

(中電投寧夏青銅峽能源鋁業集團，寧夏回族自治區銀川市，750000)

在煤礦開采過程中，根據地質條件及回采要求，區段平巷的布置往往采用雙巷布置，并通過留設一定寬度的煤柱對兩條巷道進行保護。目前，通過留設煤柱保護采準巷道仍是我國許多煤礦采取的主要的護巷方法，區段煤柱留設寬度是煤柱穩定性和巷道穩定性的關鍵所在。由于各礦井地質條件、水文條件和開采方法差異較大，區段煤柱留設寬度的取值以及確定方法也不盡相同。煤柱尺寸太小會使頂板難以支撐，使下區段回風平巷圍巖發生較大的變形破壞，且可能導致上一個工作面回采后產生的采空區積水涌入，以及冒落矸石竄入下一工作面；區段煤柱寬度過大又會造成煤炭資源的損失過大，從安全生產和資源節約方面考慮都要求區段煤柱有合理的留設寬度。

目前我國許多礦區在緩傾斜和傾斜煤層條件下普遍采用經驗方法或工程類比方法確定煤柱留設寬度，并通過現場實測煤柱支承壓力分布大小總結規律，及時調整煤柱寬度范圍，或者根據巖體的極限平衡理論來修正煤柱留設寬度。本文以紅一煤礦4＃煤層回采巷道區段煤柱為研究對象，借助UDEC數值計算手段，研究不同寬度下經歷巷道掘進階段和上區段工作面回采過程中煤柱和兩巷圍巖的應力變化規律，并將應力集中系數作為煤柱穩定性的一個重要依據。

1 工程地質概況

紅墩子礦區紅一煤礦位于寧夏回族自治區東部，隸屬銀川市興慶區管轄。根據煤層分布情況，其首采區主要可采煤層為4＃煤層和5＃煤層。4＃煤層115采區位于二疊系山西組 (Ps)，該地段以灰黑色泥質粉砂巖、黑色泥巖、黑色粉砂巖、灰黑色泥質粉砂巖為主，巖石硬度系數f＝2～4，為中等硬度，4＃煤層厚度大部分在1.3～2.0m之間，煤層傾角在15°～25°之間，屬緩傾斜煤層。研究對象為115采區內1150401運輸平巷和1150403回風平巷之間的留設煤柱，回采巷道留設煤柱空間布置見圖1。

圖1 回采巷道留設煤柱空間布置圖

1150401工作面和1150403工作面之間采用雙巷布置方式進行掘進，之后進行1150401工作面回采，因此，兩巷之間的煤柱是安全生產的重要保證。兩巷斷面形狀均為梯形，且沿4＃煤層頂板泥質粉砂巖掘進，巷道支護方式為錨網索＋鋼筋梯聯合支護。

2 數值模型及模擬方案

2.1 模型建立

根據紅一煤礦地質條件，按實際巖層情況1∶1建立沿巷道剖面方向的平面應變模型。雙巷布置階段模型大小為100m×60m (長×高)，模型兩側面為滑動簡支，底部固支，數值計算模型如圖2所示。

圖2 數值計算模型

模型邊界上、下兩巷沿頂板泥質粉砂巖掘進，左側為1150401工作面，右側為1150403工作面，按煤巖體實際傾角17°建模，巖層性質根據柱狀圖確定。整個模型在左、右及下部均為固定邊界，沒有水平位移，即Sx＝0，Sy＝0，為了計算準確，更加符合實際條件，使z方向測壓系數為1.0，在模型上部施加垂直應力為10.46MPa。模型力學性質參數見表1。分析節理特性時考慮其受采動影響，塊體采用摩爾—庫倫本構模型，節理采用摩爾—庫倫滑移本構模型，巖層的塊度依據巖層厚度和采動巖體特點進行劃分。

2.2 模擬方案

根據全國回采實體煤巷道煤柱統計結果，83.6%以上的煤柱留設寬度都在5～30m之間，因此，本次設計選取典型的6種方案進行模擬分析，制定區段煤柱留設寬度數值模擬方案為5m，10m，15m，20m，25m和30m。

回采巷道從開掘到報廢，經歷采動引起的圍巖應力重新分布過程，圍巖變形持續增長和變化。尤其是下區段1150403回風平巷，受到二次采動的影響，圍巖變形要經歷巷道掘進影響階段、掘進影響穩定階段、采動影響階段、采動影響穩定階段和二次采動影響5個階段。因此，對區段煤柱寬度的研究從兩個方面進行，即雙巷布置階段和1150401工作面回采階段。

3 掘進期間區段煤柱應力分布規律

圍巖淺部應力狀態對于巷道整體穩定性有著重要影響，因此在煤柱上方 (距煤柱上方0m)和距煤柱上方分別1m、2m、3m、4m分別布置5條應力測線，從左到右編號依次為1～30，用來監測頂板圍巖淺部應力分布及變化規律。

表1 煤巖層模擬力學及節理力學性質參數

3.1 應力集中系數對煤柱寬度的影響

應力集中主要由雙巷布置及煤柱周圍的工作面回采引起，造成的應力峰值與原巖應力的比值稱為應力集中系數。通過上一節建立的UDEC數值計算模型，對不同方案進行模擬，得到不同煤柱寬度下煤柱內應力集中系數，建立應力集中系數與煤柱寬度之間的關系，將應力集中系數作為一個影響因素來反映不同取值下煤柱的變化情況，如圖3所示，當應力集中系數較小時，煤柱寬度的增加較慢，當應力集中系數超過一定值 (根據模擬值約為3)，隨著應力集中系數的增加，煤柱所承受的應力越來越大，必須增大煤柱的寬度來抵抗增加的應力。

圖3 應力集中系數對煤柱寬度的影響

通過對不同應力集中系數計算比較得出，隨著應力集中系數的增大，煤柱寬度增大速度加快，呈現指數函數形式。當應力集中系數由1.5增加到3時，煤柱寬度由4.2m增加到6m，增長率為1.4；而當應力集中系數由3增加到4.5時，煤柱寬度由6m增加到13m，增長率為2.3。所以可以將應力集中系數視為影響煤柱寬度的敏感因素。

3.2 垂直應力分析

運輸平巷和回風平巷同時掘進時，由于區段煤柱寬度的不同，應力分布情況各異。選取距離頂板2m的應力測線監測煤柱的垂直應力，不同煤柱寬度下垂直應力的分布情況如圖4所示。

圖4 不同煤柱寬度垂直應力分布

由圖4可知，沿煤柱測線的垂直應力以煤柱中心為對稱軸，兩邊基本呈現對稱分布，按照應力變化趨勢可以分為兩個類型。

(1)當煤柱＜15m時，屬于增高—降低類型。在這種類型下的煤柱，煤柱中心位置的垂直應力最高，并且會出現應力核區域，煤柱長期處于塑性區域中，很容易發生破壞，不利于巷道維護。

(2)當煤柱≥15m時，屬于增高—降低—二次增高—二次降低 (馬鞍)類型。兩巷至煤柱內3～5m為應力急速增高區，在巷道左右兩側5～6m，屬于應力最高區域，當煤柱留設足夠寬時，煤柱中心位置應力有所下降，基本屬于原巖應力區域。此外，煤柱在這一范圍內煤柱越窄，其上的應力峰值越大，峰值作用的范圍也越大，這主要是此時煤柱破壞嚴重，煤體酥松，不能承受較高的應力所致。當煤柱寬度增加到20m以后，峰值逐漸趨于穩定，大致在15MPa左右。

同時，通過比較模型頂板布置的6條應力監測線監測應力系數在不同編號處的數值，可清晰反映應力集中及變化情況。留設煤柱寬度為5m時，測線的垂直應力變化劇烈，沒有明顯規律，時而出現應力系數2.0以上的煤柱區域；當煤柱留設寬度達到15m時，應力集中系數開始趨于緩和，大都為1.2～1.5，但仍處于破壞較嚴重的區域；當煤柱留設寬度達到20m以上時，應力集中系數基本平緩，在煤柱兩側5～6m，應力集中系數區域1.3，煤柱的其余部位基本接近于原巖應力。

通過垂直應力分析，認為15m是一個分界點，當煤柱留設寬度＜15m時，煤柱內出現應力系數為2.0以上的應力核區域，當煤柱留設寬度≥15m時，應力核區域逐漸消失，尤其是當煤柱留設寬度≥20m以后，煤柱的穩定性較好。

3.3 水平應力分析

選取運輸平巷和回風平巷同時掘進時上下兩巷及煤柱的水平應力云圖進行對比分析，表明當煤柱留設寬度為5m時，由于兩巷之間相互影響，水平應力波動很大，在煤柱中間同樣出現應力核；當煤柱留設寬度為10m時，總體變化趨勢趨于穩定，但仍然出現波動；當煤柱留設寬度≥15m，水平應力基本沒有變化且規律基本一致，不會因為煤柱留設寬度不同而對水平應力的重新分布造成太大影響。雙巷掘進期間留設不同煤柱寬度時煤柱應力特征見表2。

表2 留設不同煤柱寬度時的煤柱應力特征數據

通過對掘進期間煤柱和兩巷圍巖應力分布情況進行對比分析，同時根據煤柱上方圍巖淺部的應力集中系數的變化規律，得出1150401工作面與1150403工作面的煤柱留設寬度初步定為15～20m。

4 工作面回采期間煤柱穩定性研究

1150403回風平巷屬于采前掘進，即在上區段工作面回采前該巷道已經布置完成，在布置時期，巷道及煤柱周邊圍巖內原巖應力進行重新分布，當1150401工作面回采期間，由于受到工作面采動影響，煤柱內應力分布情況再次發生變化，側向支承壓力迅速增高。通過對不同寬度煤柱在回采期間應力分布情況的數值模擬，得出煤柱內側向支承壓力及應力集中系數，可以對上一節提出的煤柱留設寬度進行驗證，監測結果見表3。

表3 上區段工作面回采后應力匯總表

由表3可知，當煤柱留設寬度大于10m時，側向支承壓力在20MPa以下，應力集中系數在1.6以下，到煤柱留設寬度為20m時，側向支承壓力為15.5MPa，之后的側向支承壓力趨于平緩。將不同煤柱寬度的側向支承壓力進行對比分析，得到回采期間煤柱寬度與側向支承壓力之間的關系，如圖5所示。

圖5 煤柱寬度與側向支承壓力之間關系

由圖5可知，應力峰值隨著煤柱寬度的增加呈現下降趨勢，經過數據擬合，其關系符合二次函數曲線，變化趨勢公式為:

由式 (1)可以看出，煤柱峰值在15～20m以后，應力峰值幾乎不變，過大煤柱對于巷道維護作用很小，由此驗證了上一節初步制定的煤柱留設寬度在15～20m之間是合理的。

5 結論

(1)通過分析應力集中系數對煤柱留設寬度的影響，發現隨著應力集中系數的增大，煤柱寬度增大速度加快，呈現指數函數形式，從而確定應力集中系數為煤柱留設寬度敏感因素。

(2)通過對頂板淺部圍巖監測可知，沿煤柱測線的垂直應力以煤柱中心為對稱軸，兩邊基本呈現對稱分布，按照應力變化趨勢可以分為如下兩個類型:當煤柱＜15m時，屬于增高—降低類型；當煤柱≥15m時，屬于增高—降低—二次增高—二次降低 (馬鞍)類型。同時，在煤柱＞15m后，水平應力基本沒有變化且規律基本一致。

(3)對上區段工作面回采時煤柱的穩定性進行分析可知，煤柱峰值在15～20m以后，應力峰值幾乎不變，而過大煤柱對于巷道維護作用很小，從而最終確定合理的煤柱留設寬度為15～20m之間。

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