受斷層影響的深部工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度研究

韓傳磊，左常清，趙燕席，王士朋

（汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司，山東 濟寧 272500）

0 引言

合理的區(qū)段煤柱留設(shè)寬度對回采巷道維護、煤炭采出率以及沖擊地壓等動力災(zāi)害的防治均有重要影響。煤柱尺寸留設(shè)不當(dāng)，極易引起巷道應(yīng)力集中，誘發(fā)沖擊地壓事故，嚴(yán)重制約煤礦的安全高效生產(chǎn)[1-4]。

針對區(qū)段煤柱留設(shè)問題，謝廣祥等[5]建立了煤柱彈塑性極限平衡力學(xué)模型，對煤柱支承壓力峰值分布規(guī)律進行了理論計算，為確定綜放回采巷道護巷煤柱的合理尺寸提供了方法；方新秋等[6]基于綜放工作面端頭頂板破斷特征，建立了采空側(cè)端頭三角塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析了三角煤失穩(wěn)機理；伍永平等[7]建立了區(qū)段間圍巖失穩(wěn)模型，研究了區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律和失穩(wěn)破壞準(zhǔn)則，確定了區(qū)段煤柱的合理尺寸。上述研究內(nèi)容明確了煤柱沖擊的發(fā)生不僅與其應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，同時也受覆巖結(jié)構(gòu)特征的影響。

本文以山東義橋煤礦受斷層影響區(qū)段煤柱為例，分析了區(qū)段煤柱穩(wěn)定性主控因素，采用理論分析、數(shù)值模擬等方法，確定了合理的區(qū)段煤柱留設(shè)寬度。

1 煤柱概況

受DF20 斷層影響，義橋煤礦3804 工作面與3604 采空區(qū)之間需留設(shè)一定寬度的區(qū)段煤柱。煤柱沿DF20 斷層走向布置，區(qū)段煤柱范圍內(nèi)無褶曲構(gòu)造，煤柱底板標(biāo)高-740—-810 m。區(qū)段煤柱周邊工作面布置如圖1 所示。

圖1 區(qū)段煤柱位置Fig.1 Position of section coal pillar

受DF20 斷層影響，區(qū)段煤柱留設(shè)寬度較大，3804 工作面開采后，區(qū)段煤柱兩側(cè)會形成較大的采動空間，煤柱應(yīng)力集中程度大幅增加。且隨著3804 工作面推進距離的增加，工作面上方區(qū)域部分垂直應(yīng)力向兩工作面間的區(qū)段煤柱內(nèi)部轉(zhuǎn)移，造成斷層構(gòu)造應(yīng)力與回采工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ寞B加，增加了區(qū)段煤柱的沖擊風(fēng)險。

2 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性影響因素分析

2.1 開采深度影響

隨著開采深度增加，原巖應(yīng)力相應(yīng)增大，煤層開采后，引起采空區(qū)邊緣側(cè)向支承壓力相應(yīng)增加。在煤體抗壓強度一定的情況下，較高的原巖應(yīng)力作用下，容易造成煤柱塑性區(qū)范圍不斷增大。

表1 給出了區(qū)段煤柱處原巖應(yīng)力與煤體強度比值。可以看出，原巖應(yīng)力與煤體強度的比值大于1，且為10 以上，可知原巖應(yīng)力已超過煤體強度，埋深對煤柱穩(wěn)定性影響較大。

表1 區(qū)段煤柱處原巖應(yīng)力與煤體強度比值Table 1 Ratio of original rock stress to coal strength at coal pillar

2.2 斷層構(gòu)造

根據(jù)一般經(jīng)驗，斷層是誘發(fā)采掘工作面沖擊地壓的主要影響因素。3804 工作面與3604 工作面間區(qū)段煤柱受斷層構(gòu)造應(yīng)力的影響，加之煤柱受3604 工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響，隨著3804 工作面推進距離的增加，可能造成斷層構(gòu)造應(yīng)力與回采工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ寞B加，增加區(qū)段煤柱的沖擊風(fēng)險。

2.3 煤厚影響

一般而言，相同條件下，煤層越厚，巷道圍巖積聚彈性能并劇烈釋放的可能性越大，沖擊地壓風(fēng)險程度越高。工作面所采的3 煤層厚0.98～7.62 m，平均3.49 m，厚度變化系數(shù)46.02%。工作面開采后，區(qū)段煤柱兩側(cè)會形成較大的采動空間，煤柱應(yīng)力集中程度大幅增加，其中3804 工作面軌道順槽外側(cè)與3604 工作面間區(qū)段煤柱受兩側(cè)采空區(qū)影響，應(yīng)力疊加程度更高。因此，煤層厚度對區(qū)段煤柱穩(wěn)定性有較大影響。

3 基于采動影響的區(qū)段煤柱穩(wěn)定性分析

3.1 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性理論分析

煤體開采破壞后，承載能力下降，應(yīng)力集中的位置向深部轉(zhuǎn)移，集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移的結(jié)果可能使內(nèi)部一定范圍內(nèi)的煤體遭到破壞。隨著深度的增加，煤體受力狀態(tài)逐漸由二向轉(zhuǎn)為三向，抗壓強度逐漸提高，煤體的破壞程度將越來越小，最后在內(nèi)部某一位置煤體的強度和集中應(yīng)力達到平衡，這個位置范圍內(nèi)的煤體均處于極限平衡狀態(tài)，稱為極限平衡區(qū)。對于極限平衡區(qū)，建立極限平衡方程：

式中：f 為層面間的摩擦系數(shù)；φ1為頂?shù)装迮c煤層間的摩擦角，（°）；m 為采高，m；σy為垂直應(yīng)力（即支承壓力），MPa；σx為水平應(yīng)力，MPa。

根據(jù)極限平衡區(qū)的條件，有：

式中：Rc為煤的單軸抗壓強度，MPa；φ為煤的內(nèi)摩擦角，（°）。

將式（3） 代入式（1） 中，求解可得：

當(dāng)x=0，時σy=Rc*時，

式中：Rc*為煤幫的支撐能力（煤壁受壓后的殘余強度），MPa。

原巖應(yīng)力為γH，設(shè)最大集中應(yīng)力系數(shù)為k，煤壁至支承應(yīng)力峰值的距離為x0，則有：

煤柱保持穩(wěn)定性寬度B 為：

式中：R、x0分別為煤柱兩側(cè)塑性區(qū)寬度，x0=R，可根據(jù)式（8） 計算獲得，表2 中給出了相應(yīng)的計算參數(shù)；L 為煤柱中部彈性區(qū)寬度，根據(jù)以往經(jīng)驗，煤柱中部彈性區(qū)寬度通常大于或等于2 倍的煤層厚度，因此，L≥6.98 m。

表2 區(qū)段煤柱計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of section coal pillar

根據(jù)上述分析，可以計算得到煤柱寬度。考慮1.5 倍的安全系數(shù)，最終理論計算得到煤柱寬度至少為20.46 m，詳見表3。

表3 區(qū)段煤柱理論計算寬度Table 3 Theoretical calculation width of section coal pillar

3.2 煤柱應(yīng)力分布數(shù)值分析

采用數(shù)值模擬方法，模擬工作面回采期間圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)分布，確定合理的區(qū)段煤柱留設(shè)寬度。

3.2.1 模型建立

三維數(shù)值模型傾向?qū)?50 m，走向長900 m，模型高80 m，模型兩側(cè)施加固定邊界，模型底部施加固定邊界，數(shù)值模擬中煤柱寬度為70 m，以接觸面單元模擬在兩工作面之間的斷層。工作面埋深為800 m，由σy=γh，γ 取2.5×104N/m3，則相應(yīng)的原巖應(yīng)力取20 MPa。

3.2.2 模擬結(jié)果分析

不同推進距離下區(qū)段煤柱側(cè)向支承壓力分布和塑性區(qū)分布如圖2、圖3 所示。

圖2 不同推進距離下區(qū)段煤柱側(cè)向支承壓力分布曲線Fig.2 Distribution curve of lateral abutment pressure of section coal pillar under different advancing distance

圖3 不同推進距離下塑性區(qū)分布圖Fig.3 Distribution of plastic zone under different advancing distances

分析圖2、圖3 可以看出，3804 工作面在不同推進距離下區(qū)段煤柱應(yīng)力變化情況類似于馬鞍形分布（兩邊高，中間低）。

（1） 隨著3804 工作面推進距離的增加，靠近3604 采空區(qū)一側(cè)的區(qū)段煤柱受影響較小，煤柱在距3604 采空區(qū)22 m 左右的位置達到峰值，應(yīng)力峰值在50 MPa 左右；受3804 工作面回采影響，3804工作面一側(cè)煤柱應(yīng)力峰值距該工作面約15 m，峰值應(yīng)力隨采動空間的增加而增加。

（2） 隨著3804 工作面推進距離的增加，在距3604 采空區(qū)29～48 m 的位置，3804 工作面區(qū)段煤柱的應(yīng)力最小，為20～24 MPa。

（3） 隨著3804 工作面推進距離的增加，區(qū)段煤柱上方煤柱應(yīng)力逐漸增加。當(dāng)工作面回采50 m時，區(qū)段煤柱峰值應(yīng)力約27.6 MPa（原巖應(yīng)力約20 MPa），距離3804 工作面采空區(qū)約15 m，煤柱原巖應(yīng)力區(qū)范圍約19 m；當(dāng)工作面回采150 m 時，區(qū)段煤柱峰值應(yīng)力約33.4 MPa（原巖應(yīng)力約20 MPa），距離3804 工作面采空區(qū)約15 m，煤柱原巖應(yīng)力區(qū)范圍約18 m。

根據(jù)以往經(jīng)驗，在煤柱中部的彈性區(qū)寬度L 通常應(yīng)大于或等于2 倍的煤層厚度。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，3804 工作面區(qū)段煤柱兩側(cè)最大塑性區(qū)寬度分別為8 m 和10 m，煤柱原巖應(yīng)力區(qū)范圍約20 m，大于2 倍的煤層厚度（平均煤厚3.49 m）。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，煤柱寬度在40 m 時能夠保持穩(wěn)定。考慮到現(xiàn)場情況的復(fù)雜性，在數(shù)值模擬計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，乘以1.5 的安全系數(shù)，建議煤柱寬度應(yīng)為60 m 左右。

3.3 現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了進一步確定區(qū)段煤柱合理寬度，對3604工作面回采期間微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，進而評估3804 工作面回采期間側(cè)向支承壓力影響范圍。3604 工作面回采期間微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分布如圖4 所示。可以看出，3604 工作面回采期間，靠近斷層區(qū)域微震事件能量均較低，工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊懛秶s為20 m。據(jù)此，考慮兩側(cè)工作面對煤柱的影響，可以近似確定區(qū)段煤柱留設(shè)寬度至少應(yīng)為50 m。

圖4 微震事件分布Fig.4 Distribution of microseismic events

4 結(jié)論

（1） 根據(jù)義橋煤礦3804 工作面地質(zhì)和開采技術(shù)條件，分析確定影響該工作面區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素為埋深、斷層構(gòu)造和煤層厚度。

（2） 結(jié)合3804 工作面實際條件，首先通過理論建模計算得出該工作面區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的最小寬度為20.46 m；采用數(shù)值模擬方法，考慮工作面采動影響確定合理的區(qū)段煤柱留設(shè)寬度至少為60 m；根據(jù)臨近的3604 工作面回采期間的微震監(jiān)測結(jié)果，分析得出區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的寬度至少為50 m。綜合理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，確定3804 工作面合理的區(qū)段煤柱留設(shè)寬度應(yīng)為60 m。