深埋厚煤層區段煤柱留設穩定性研究

馬菲菲 邢 永

（棗莊大興礦業有限責任公司，山東 棗莊 277319）

采用長壁工作面回收煤炭資源時，相鄰工作面間的煤柱寬度以往多在20 m左右，造成資源的浪費。在不影響安全生產的條件下，如何減少煤柱留設的寬度，一直是研究的熱門話題。張震等[1]采用CT系統，建立了電磁波衰減與裂隙發育、應力集中系數的關系；張后全等[2]對超前區段煤柱錨桿軸力實測，認為錨桿軸力的峰值對應著區段煤柱破碎區；梁冰等[3]采用損傷變量模型，建立了煤柱尺寸與損傷變量的對應關系，認為煤柱的寬高比影響煤柱穩定性，兩者正相關；涂敏等[4]建立了煤柱塑性區理論公式，分析了采深、煤柱高度、工作面長度等參數對煤柱寬度的影響，據此設計了區段煤柱的控制方案；王志強等[5]認為煤柱的穩定性與所處應力環境有關，采用彈性地基理論得到了煤柱內部任意一點的應力狀態以及煤柱穩定性的主要影響因素為應力集中系數、煤柱高度及寬度；張宇等[6]研究了淺埋煤層煤柱留設穩定性問題，認為煤柱留設需要在10 m 以上。上述研究對于區段煤柱穩定性的影響因素以及淺埋煤層的煤柱留設進行了大量的理論分析，然而對于深部礦井區段煤柱的具體寬度，仍需要結合工程情況做進一步的研究。

大興煤礦資源日漸枯竭，為了增加礦井的服務年限，亟需研究減少煤柱留設寬度。本文針對301工作面與303 工作面之間的區段煤柱，采用理論公式計算區段煤柱的彈性核區數值，通過數值模擬和現場鉆孔觀測進行結果驗證。

1 工作面概況

301 工作面位于3 號煤層，采高4.4 m，面長120 m，回采巷道寬度為5 m，高度為3 m，頂底板為砂巖，巖性較差。301 工作面的接替工作面為303 工作面，在回采301 工作面時掘進303 工作面的運輸巷，如圖1 所示。原先該采區相鄰工作面區段煤柱寬度為20 m，為提高資源回收率，重新進行區段煤柱留設寬度的設計，分別按照10 m、9 m、8 m、7 m、6 m、5 m 的煤柱寬度進行理論計算，分析在一次采動（回采）和二次采動（巷道掘進）的影響下，煤柱是否能保持穩定性。

圖1 工作面布置示意

2 區段煤柱留設寬度設計及理論驗證

區段煤柱的穩定性影響因素主要有煤柱的寬度、埋深、煤體自身強度等。進行區段煤柱設計時，埋深和煤體自身強度無法后期改變，煤柱寬度是最主要的影響因素。回采時區段護巷煤柱的合理寬度為：

式中：Le為彈性區寬度；Lp為塑性區寬度；X0為采空區側塑性區寬度；R0為巷道側塑性區寬度。

采用中主應力影響的SMP 準則，可得采空區側塑性區寬度與巷道側塑性區寬度：

所以煤柱塑性區寬度Lp=X0+R0為：

結合大興煤礦實際地質條件，m=4.5 m，H=700 m，φ=36.5 °，c=0.93 MPa，σ0=1.26 MPa，f1=0.13，c1=1.5 MPa，Pa=0，P=0.36 MPa，K1=4，矩形巷道高3 m，寬5 m。代入公式中計算，可以得到301 工作面不同煤柱寬度下彈性核區的大小，具體數值見表1。

表1 不同寬度區段煤柱的彈性核區

3 區段煤柱穩定性數值模擬驗證

3.1 數值模型建立

采用FLAC3D對不同煤柱留設寬度進行模擬，研究其煤柱塑性區發育規律。模型長寬高分別為130 m、130 m、60 m，左右各留50 m 的邊界煤柱，巷道尺寸為5.0 m×3.0 m。模型四周限制X、Y 方向的位移，底部固支，頂板加載17.5 MPa 的等效荷載。采用摩爾-庫倫模型，模型如圖2，覆巖參數見表2。設計模擬區段煤柱寬度分別為10 m、9 m、8 m、7 m、6 m、5 m 時，受采動（301 工作面回采）和掘進巷道（303 運輸巷掘進）影響下，在工作面推進120 m，即工作面初次見方的位置，取超前工作面10 m，采動影響最大處的區段煤柱的塑性區發育云圖。

圖2 數值模擬初始模型（m）

表2 地層參數

3.2 模型結果分析

圖3 依次是不同留設煤柱寬度下周邊塑性區發育情況，塑性區沿區段巷道周邊發育，有對稱分布特征，頂板和兩幫以拉、剪破壞為主。隨著煤柱寬度的增加，塑性區發育程度減弱。在5 m 的區段煤柱寬度條件下，塑性區非常發育，貫穿整個煤柱，無彈性核區；在6 m 的區段煤柱寬度條件下，有1 m 寬的彈性核區；在7 m 的區段煤柱寬度條件下，有3 m 寬的彈性核區；在8 m 區段煤柱寬度條件下，有4 m 寬的彈性核區；在9 m 的區段煤柱寬度條件下，有5 m 寬的彈性核區；在10 m 的區段煤柱寬度條件下，有7 m 寬的彈性核區。結合第二章的理論分析結果，可以認為當區段煤柱寬度在7.0 m 以上時，煤柱有著較強的穩定性，可以實現安全回采。

圖3 303 工作面區段煤柱不同留設寬度塑性區發育情況

4 工程觀測結果

為了更加直觀地觀測出303 運輸巷區段煤柱穩定性，鉆孔觀測內部裂隙發育情況。在運輸巷道的幫部距底板1.5 m 的位置處，垂直巷幫向301 工作面側鉆孔，放入鉆孔窺視儀。觀測結果如圖4。

圖4 區段煤柱裂隙發育情況

從圖4 看出，在留設7 m 煤柱寬度條件下，向煤柱內部打孔，1 m 深時鉆孔破碎，2 m 深時鉆孔完整度提高，孔壁上只有一些橫向裂隙，3.5 m 深時到達彈性核區，鉆孔完整，5 m 深和6 m 深時接近工作面，鉆孔完整程度又降低。因此，可以判斷在留設7 m 煤柱寬度條件下，煤柱有足夠的彈性核區，可以保證工作面開采期間的穩定性。

5 結論

（1）采用中主應力影響的SMP 準則可以計算得到受采動影響及相鄰巷道掘進影響下的區段煤柱彈性核區大小。

（2）數值模擬顯示區段煤柱塑性區沿四周發育，有對稱分布特征，頂板和兩幫以拉、剪破壞為主，彈性核區大小隨煤柱留設寬度增加而增加。

（3）在留設7 m 煤柱寬度條件下，煤柱有足夠的彈性核區，可保證工作面開采期間的穩定性。