深埋強沖擊煤層工作面區段煤柱寬度確定

石超弘，蘇士杰，丁國利，于輝華，解嘉豪

(1.中天合創能源有限責任公司煤炭分公司 葫蘆素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017300；2.中煤能源研究院防沖控水研究所，陜西 西安 710054)

區段煤柱是起支撐作用的主體結構，主要用于隔離采空區、保證相鄰回采巷道圍巖穩定，所以，回采巷道的變形破壞很大程度上取決于煤柱留設寬度。正確合理的煤柱尺寸可以最大限度地降低巷道圍巖的應力集中程度，緩解開采過程中的沖擊危險。據統計資料顯示，10%左右的沖擊地壓事故是由于不合理煤柱寬度導致應力異常集中誘發沖擊[1-7]。

國內外學者對煤柱合理尺寸的確定方法進行了很多研究，對于區段煤柱留設分以下幾種：一是留設大煤柱，確保上、下回采工作面采動互不影響，但該種煤柱內存在彈性應力區、應力增高區[8]，會造成本煤層臨空大煤柱巷道處于高應力區，當下伏煤層開采時應力集中程度升高、沖擊危險程度上升；二是留設小煤柱[9]，但煤柱過寬可能躲不過應力增高區或是煤柱過窄起不到護巷作用，且受地質條件限制，煤柱尺寸不能完全依賴經驗設定；三是無煤柱開采。文獻[10-12]通過有限差分軟件FLAC3D分析了工作面回采期間不同煤柱寬度下巷道圍巖應力與位移演化特征；文獻[13-15]采用FLAC 研究了煤柱應力、圍巖變形與煤柱寬度之間的關系; 徐佑林等[16]建立FLAC3D模型分析了動壓對塑性區發育范圍的影響。文獻[17-19] 則通過離散元軟件UDEC研究了窄煤柱合理寬度以及不同區段煤柱寬度下的區段煤柱應力分布規律。丁自偉等[20]通過分析Wilson兩區約束理論的問題與不足，修正了有關塑性區寬度和礦柱強度的計算公式。本文以葫蘆素煤礦21103工作面為研究背景，采用理論方法、數值模擬及現場實測方法，對煤柱極限平衡區寬度進行了計算，從煤柱應力和圍巖變形兩方面入手構建了不同煤柱寬度下的數值模擬運算，并結合煤柱不同深度應力監測方案，綜合分析確定出適于葫蘆素煤礦地質條件下的合理煤柱尺寸。

1 礦井概況

葫蘆素煤礦目前主采2-1煤層，埋深達650m，經鑒定煤層具有強沖擊傾向性，頂底板均具有弱沖擊傾向性，2-1煤層布置5個盤區，現回采一盤區、二盤區，21103工作面是葫蘆素煤礦東翼一盤區繼首采面21102工作面的第2個工作面，工作面區段煤柱留設30m，兩巷均采用錨網索支護，錨桿規格為?22mm×2500mm，錨索規格為?21.8mm×7200mm。21103工作面布置如圖1所示。

圖1 21103工作面布置

根據前期研究表明：區段煤柱受多次擾動內部積聚了大量壓縮彈性能，下工作面回采時，受移動超前支承壓力、硐室及聯巷周邊集中應力的影響，臨空寬煤柱內靜載荷水平進一步升高，在頂板斷裂等強動載作用下，瞬間達到煤柱沖擊失穩的臨界載荷，導致抗沖擊能力降低的巷道圍巖瞬間被破壞形成沖擊顯現事故。

2 合理煤柱尺寸確定

2.1 合理煤柱尺寸的理論計算

臨空煤柱力學模型如圖2所示，根據煤巖體極限平衡理論推導出煤柱能夠保持穩定狀態的計算公式，得出合理煤柱寬度B：

B=x1+x2+x3

(1)

式中，x1為采空區側煤柱內形成的極限平衡區寬度，m；x2為錨桿錨固段至巷道煤壁的寬度，m；x3為安全寬度，m。

圖2 臨空煤柱力學模型

根據摩爾-庫倫準則和彈性力學可推導得出采空區側煤柱內部形成的極限平衡區寬度[21]：

式中，M為巷道高度，取2.8m；α為煤層傾角，取0°；β為側壓系數，β=μ/(1-μ)=0.41,其中，μ為泊松比，取0.3；φ為內摩擦角，取40°；c為粘聚力，取2.3kN/m2；K為應力集中系數，取1.3；H為煤層埋深，取650m；γ為上覆巖層平均體積力，取25kN/m3；Px為上工作面回采巷道支架的支護阻力，由于上工作面已回采，因此取0。

由式(2)可以得出，x1=5.6m；根據2-1煤層巷道支護參數可知，x2=2.4m。

安全寬度x3=0.15(x1+x2)～0.35(x1+x2)。那么，根據理論推導得出區段煤柱寬度B=9.1～10.7m。

2.2 不同煤柱寬度的數值模擬分析

工作面間區段煤柱寬度對煤礦沖擊地壓災害的發生具有重要影響。對區段煤柱寬度的研究要同時兼顧考慮應力與變形兩方面因素。在應力方面，合理的區段煤柱應使巷道避開采空區支承壓力峰值區，且煤柱內的應力應得到充分釋放，煤柱內無“彈性核”區；在位移方面，區段煤柱應具有一定的承載能力和穩定性。

2.2.1 應力分析

在應力方面，結合葫蘆素煤礦保護層開采的特點，分別研究了2-1煤層綜采工作面回采巷道在5m、10m、15m、20m、25m、30m、40m、50m等不同的煤柱寬度條件下，采場圍巖的應力分布規律，并進行了類比分析。模型與葫蘆素煤礦實際開采條件相同，模擬方案如圖3所示。

圖3 數值模擬煤柱模型方案

不同寬度煤柱頂板垂直應力分布如圖4所示，從圖4可以看出，煤柱寬度從5m變化到50m時，煤柱應力呈先增大后減小的趨勢，煤柱寬度為15m時應力最高，此時煤柱內應力集中系數可高達4.8，沖擊危險性最強；煤柱寬度為5m時應力最低，此時煤柱幾乎完全壓酥，煤柱內應力充分釋放，沖擊危險較低。

圖4 不同寬度煤柱頂板垂直應力分布曲線

綜上，從應力區段煤柱寬度小于5m時對防沖最為有利，當區段煤柱寬度處于15～20m是最危險的情況，整體有：σ(15m)>σ(20m)>σ(25m)>σ(30m)>σ(40m)>σ(50m)>σ(10m)>σ(7m)>σ(5m)。

峰值應力大小分析：σ(15m)>σ(20m)>σ(25m)>σ(30m)>σ(40m)>σ(50m)>σ(10m)>σ(7m)>σ(5m)。煤柱應力呈先增大后減小的趨勢，煤柱寬度為15m時應力最高，10m煤柱峰值應力與50m煤柱效果接近，從峰值應力大小來看，10m煤柱在應力水平上要低于10m以上煤柱，但安全性上較10m以下煤柱要高。

峰值應力分布分析：5m煤柱峰值應力最小，但巷道實體煤幫處會出現最大的峰值應力，工作面側會出現明顯的應力集中，15m煤柱時，煤柱側幫會出現最大的峰值應力。

2.2.2 位移分析

采用數值模擬對不同寬度煤柱的變形特征進行分析。模擬巷道寬度為5m×5m，巷道左幫為實體煤，右幫為煤柱，煤柱右側為采空區。在模擬條件下，對5～50m煤柱寬度時巷道的頂板、底板、實體煤幫及煤柱側幫位移數據進行統計，為便于觀察，對數據進行放大10倍處理，并將其投影于5m×5m的網格內，繪制得出不同煤柱寬度的巷道位移曲線，如圖5所示。根據模擬煤柱寬度從5～50m巷道位移數據可得：①對于巷道頂板，其位移量逐級遞減，即：U(5m)>U(10m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m) ；②對于巷道底板，其位移量逐級遞減，即：U(5m)>U(10m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m) ；③對于巷道實體煤幫，其位移量逐級遞減，其中煤柱寬度從5m增加到20m時其遞減速率最快，從20m增加到50m時遞減速率逐漸減慢，位移量從大到小排序為：U(5m)>U(10m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m) ；④對于巷道煤柱側幫，其位移量先增大后減小，10m煤柱時右幫位移量最大，在煤柱寬度超過20m之后，煤柱幫位移遞減速率逐漸減慢，位移量從大到小排序為：U(10m)>U(5m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m)。

從應力與位移綜合角度選取煤柱寬度最優化方案，建議區段煤柱寬度為10～15m，該煤柱取值區間在一定程度上降低了應力核區的應力集中程度，但需采取合理支護措施以保證巷道圍巖變形在可控范圍內。

3 臨空寬煤柱側向支承應力實測分析

通過側向支承壓力的監測分析，可以得知采空區側向懸頂形成的側向支承壓力對臨空巷道影響范圍，以確定合理煤柱尺寸，提高采掘安全性。

圖5 不同煤柱寬度下巷道位移曲線(m)

3.1 布置方案

21103輔運巷共安裝2組應力監測設備，每組10個，共計20個，組內間距2m，應力計安裝深度4～24m。第1組安裝在距離21103主、輔運巷11聯巷以北50m，第2組距離第1組100m。應力計給定初始壓力為5MPa。自安裝之日起每3天記錄1次數據。第1組應力計測點布置如圖6所示。

圖6 21103采空區第1組應力計測點布置方案

3.2 采空區側向支承應力實測分析

根據2018年5月—2018年12月21103輔運巷第1組監測測點觀測數據進行處理，得出煤柱傾向上支承壓力分布曲線，如圖7所示。

圖7 煤柱傾向上支承壓力分布曲線

隨著工作面推進，采空區側向支承壓力在煤柱內不斷積聚，導致煤柱內應力分布呈現“雙駝峰”形態，雙峰位置分別在煤柱內大約8m與22m處，寬約14m。從圖7可以明顯看出，21103工作面采空后，21103輔運巷煤柱內應力重新分布，從煤柱兩側向里依次形成“減壓區—增壓區—原巖區”，具體為：在煤柱0～4m、24～30m形成減壓區，在煤柱4～10m、18～24m形成增壓區，其中，煤柱10～18m為原巖應力區，為盡可能降低區段煤柱對沖擊地壓的影響，應合理設計煤柱寬度，將煤柱布置減壓區。根據上述實測數據得出：葫蘆素煤礦區段煤柱合理寬度應在10～12m。

4 結 論

1)根據煤巖體極限平衡理論推導出煤柱能夠保持穩定狀態的計算公式，得出區段煤柱合理煤柱寬度為9.1～10.7m。

2)對不同煤柱寬度下煤柱應力與圍巖變形進行模擬分析，從應力與位移綜合角度選取煤柱寬度最優化方案，建議區段煤柱寬度為10～15m，該煤柱取值區間在一定程度上降低了應力核區的應力集中程度，但需采取合理支護措施以保證巷道圍巖變形在可控范圍內。

3)煤柱內部應力監測數據顯示：采空區側向支承壓力在煤柱內不斷積聚呈現“雙駝峰”形態，煤柱0～4m、24～30m形成減壓區，在煤柱4～10m、18～24m形成增壓區，煤柱10～18m為原巖應力區。根據實測數據，為確保煤柱處于減壓區，葫蘆素煤礦區段煤柱合理寬度應在10～12m。

4)根據理論計算、煤柱應力和圍巖變形數值模擬對比及現場煤柱支承壓力實測數據綜合分析得出葫蘆素煤礦區段煤柱最優寬度為10m。