孤島工作面保護煤柱合理尺寸留設研究

秦小衛

(邢臺礦業集團有限責任公司辦公室，河北 邢臺 054000)

隨著煤礦開采深度的不斷延伸，煤炭資源回收利用有著重大的意義，而孤島工作面回收對于煤炭資源回收起著重要的意義[1]。在孤島工作面回采過程中，保護煤柱尺寸留設和沖擊地壓危險性不容忽視。目前，有許多專家學者對孤島工作面進行了研究，陳峰等就孤島工作面巷道位置布置進行了研究[2]，楊偉利等就孤島工作面沖擊地壓識別和防沖進行了研究[3-5]。但結合巷道位置布置和沖擊地壓能量理論研究孤島工作面保護煤柱合理尺寸的論文較少，本論文針對這一問題展開研究，預期研究成果可對該領域有所補充。

1 工程背景

章村礦目前待采的孤島工作面，在礦井設計初期是作為下伏運輸大巷的保護煤柱，該孤島工作面煤厚2.6～4.3m，平均3.5m，煤層傾角18～23°，平均18°。工作面標高-420～ -452m，地面標高16.9m，工作面走向長1816.1m，傾斜長75～105m，平均100m，可采儲量83.5萬t。

2 孤島工作面力學模型研究

2.1 孤島工作面分區的計算研究

當工作面一側采空時，由于應力的重新分布，從煤柱一側可能依次出現破碎區、塑性區、彈性應力升高區以及原巖應力區，如圖1所示。根據極限平衡區計算公式，得到實體煤幫破碎區寬度：

式中：

M-煤層開采厚度，m；

φ-煤體的內摩擦角，（°）；

K-應力集中系數；

C-煤體的粘聚力，MPa；

f-煤層與頂底板接觸面的摩擦因素；

ξ-三軸應力系數，

圖1 一側采空、實體煤一側支承應力分布

章村礦M為3.5m，φ為20°，K根據經驗取5，C為0.5MPa，代入公式(1)解得破碎區Lb=7.12m。孤島工作面單側靠采空區的應力分布如圖2所示。從沿空掘巷角度考慮，沿著破碎區布置回采巷道，由于破碎區范圍是7.12m，巷道尺寸為4m，因此，回采巷道與采空區之間保留3～4m的保護煤柱。

圖2 孤島工作面支承應力分布與分區

2.2 沖擊地壓發生的能量理論

前蘇聯學者阿維爾申教授認為，煤層中儲存的彈性能是由三部分組成，分別為體變彈性能（UV）、形變彈性能（Ut）和頂板的彎曲彈性能（UW）。在此著重研究頂板彎曲彈性能，即頂板發生初次斷裂后，滿足：

式中：

M-頂板的彎矩；

E-彈性模量；

H-采深；

B-煤柱寬度；

D-損傷參量；

φ-頂板下沉的轉角；

J-頂板的斷面慣矩；

Rt-頂板巖層的抗拉強度；

q-頂板巖層的承載；

h-頂板厚度；

L-頂板的懸伸長度。

由公式（2）可得，孤島工作面頂板的彈性能主要受工作面的尺寸、待開采煤層的頂板厚度、側壓系數、圍巖內聚力、抗拉強度、彈性模量、覆巖垮落角、孤島工作面的傾斜長度、采空區與實體煤的剛度系數、煤體與頂底板摩擦系數等因素有關。同時，可以確定上覆巖層斷裂步距對孤島工作面積聚能力的影響不大。如圖3所示為孤島工作面的支承應力分布。

圖3 雙側采空孤島煤柱內部支承應力分布與分區

在開采技術參數相同的情況下，孤島煤柱中部存在彈性區，兩側產生寬度相同的塑性區。由突變理論知，當塑性區尺寸超過孤島煤柱尺寸的88%時，煤柱可能發生失穩現象，從而引起突變，這為孤島工作面留設煤柱過程中，提供了理論依據。進一步得到孤島煤柱發生突變的臨界尺寸為：

將章村礦M為3.5m，φ為20°，K根據經驗取5；C為0.5MPa，代入公式（3），解得B=12.5m。當采用留煤柱護巷方式開采孤島工作面時，所留設的煤柱尺寸需要大于12.5m。因此，選取護巷煤柱尺寸3m和13m進行進一步研究，以期得到合理的煤柱尺寸。

3 煤柱尺寸留設數值模擬研究

對工作面的開采狀況研究利用數值模擬軟件FLAC3D實現，煤巖石的物理力學參數詳細見表1所示，模型尺寸為500m×150m×195m，巖層平均傾角為20°，孤島工作面長度為100m，厚度為3.5m，模型埋深約為452m，在模型頂部施加垂直方向的荷載為7.3MPa。

如圖4（a）、（b）和圖5所示，觀察孤島工作面留設3m煤柱和13m煤柱的豎直方向應力云圖，當孤島煤柱留設3m保護煤柱時，煤柱上方的支承應力峰值是10MPa；當孤島煤柱留設煤柱尺寸大于12.5m，采用留設13m保護煤柱時，煤柱上方的支承應力峰值最大會達到80MPa，3m煤柱支承應力峰值僅為13m煤柱支承應力峰值的12.5%，且留設3m煤柱時圍巖的支承應力分布范圍明顯遠小于留設13m煤柱時。通過對比，結合前節能量理論可以說明，3m煤柱發生塑性破壞后，屬于卸壓狀態，煤柱內部無彈性核，無法積聚大量的彈性能，不存在沖擊危險，而13m煤柱內部仍存在彈性核，可以積聚大量的彈性能，開采過程中存在煤柱突然失穩發生沖擊的風險。

表1 巖層巖性力學參數

圖4 不同尺寸煤柱豎直方向應力云圖

圖5 孤島工作面支承應力的分布

4 結 論

（1）在開采孤島工作面時，由計算所得，圍巖破碎區范圍是7.12m，因此，可以考慮在采空區與回采巷道之間留設3～4m的保護煤柱。

（2）結合突變理論，當塑性區尺寸超過孤島煤柱尺寸的88%時，煤柱可能發生失穩現象，計算得到當采用留大煤柱護巷方式開采孤島工作面時，所留設的煤柱尺寸需要大于12.5m。

（3）孤島工作面保護煤柱留設數值模擬研究結果表明，當采用3m保護煤柱時支承應力峰值僅為13m保護煤柱的12.5%，屬于卸壓狀態，對防控沖擊地壓有利。