特厚煤層沿空掘巷煤柱塑性區寬度研究

趙騰飛，種 陽，馬國偉

(1.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065；2.渭南陜煤啟辰科技有限公司，陜西 渭南 714000；3.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯合工程研究中心，陜西 西安 710065)

0 引 言

目前，國內外對于高地應力和高礦壓的處理方式只有加強支護和開采方法避壓兩種手段。國內許多礦井支護工程都是運用高強度支護和讓壓組合的方式，采用支護形式上有高強度支撐結構和錨固的技術，支護器具如高強度U型類鋼支架棚組、包裹著鋼筋或鋼管的混合倒梯形高強混凝土等。錨固方式主要采取預加載錨固力的錨(索)桿、對重點區段進行特殊密集加固等，這些都是解決高礦壓巷道的必然措施[1-2]。建新煤礦巷道變形劇烈，也曾采取加強支護措施、錨索加粗以及采用全錨索支護等方法，雖有收效，但無法徹底解決問題。除了高強度支護以外，利用采礦礦壓轉移原理避免巷道長期處于高礦壓的方法是可行的，因此沿空留設巷、沿空采掘巷是確切可行的措施。

張玉祥等[3-4]通過將模糊數學和神經元網絡結合建立起巷道圍巖穩定性識別模型，利用智能決策系統劃分出不同寬度的區段煤柱圍巖完整區域來明確煤柱穩定性的辦法；陳忠輝等[5-6]在大同煤業集團技術中心對忻州窯礦8911工作面綜合機械化開采煤巖體塊斷裂變形特點進行分析，運用FLAC3D軟件對綜合機械化放采頂板煤層3D回采工作面圍巖損傷進行探究，獲取3D條件下單元節點應力值、破壞位移值及塑性區變化范圍結果；陳學偉等[7]分析山東兗礦集團下屬某礦1306工作面沿空掘巷區段礦壓活動，采用布置聯絡巷跨過回采工作面滯后開挖下區段運輸順槽的方法，成功地將區段煤柱范圍控制在4 m內；惠興田[8-9]、謝俊文等[10]對松軟煤體特厚煤層煤柱體進行破斷監測并結合自穩隱形拱理論分析，在瓦斯濃度高的松軟破碎煤層下，運用錨網(索)耦合支護，可以將區段煤柱尺寸控制在5～7 m之間。由此可見，夾矸厚煤層條件下沿空掘巷的煤柱體應力變化規律以及穩定性問題亟需進一步深入地研究。

1 區段煤柱合理寬度計算

1.1 采空區邊緣煤柱塑性區計算

根據4203沿空掘巷工作面布置可建立采空區側煤柱邊緣力學計算模型(圖1)，由此可建立求解塑性區界面應力的平衡方程(式1)，獲得采空區側煤柱邊緣極限強度位置的實際距離[11]。

圖1 采空區側煤柱邊緣體力學計算模型

(1)

式中：Ps為采空區側散落巖體對煤壁面沿x方向的約束力，MPa；τxy為煤層與頂底板界限的剪切應力，MPa；M為煤層厚度，m；xs為采空區側至煤柱體極限強度作用處的距離，m。

采空區側煤柱邊沿的應力分布和塑性區跨度范圍與煤層厚度M、側壓系數β及煤柱體極限強度σys維持正增長，與煤體與頂底板黏聚力C0、內摩擦角φ0、采空側支護阻力Ps有負向聯系。

采空區側的煤柱情況比較復雜，由于臨近202工作面回采工作后塌落的煤體和巖塊相互咬合鉸接，將采空區充填，這些碎脹的煤巖塊與未放煤層段是相互聯系的，存在相互耦合關系，同時頂板垮落的煤巖塊對煤柱也有側向的壓力，是多種參數耦合作用的結果，因此需將采空區邊緣的支護參數考慮進去，可利用經驗公式計算，見式(2)。

(2)

式中：γ為破碎煤體重度，kN/m3；M為煤層厚度，m；φ0為煤巖塊的內摩擦角，(°)。

將式(2)帶入式(1)，能夠獲得有支護的情形中邊緣塑性區寬度的具體計算公式見式(3)。

(3)

將4203工作面地質工況數據代入到式(3)可以獲得當煤層厚度M=8 m時，在Ps≠0的情況下寬度xs=2.58 m。

1.2 巷道側邊緣煤柱塑性區計算

根據4203沿空掘巷工作面布置可建立巷道側煤柱邊緣力學計算模型(圖2)，由圖2可得求解平衡方程(式2)，獲得巷道側煤柱邊緣極限強度位置的實際距離[12]。

圖2 巷道側煤柱邊緣體力學計算模型

(4)

式中：Pt為掘巷支護對煤壁面沿水平的約束力，MPa；τxy為煤體與頂底板界限處的剪切力，MPa；m為開采煤層厚度，m；xp為運輸巷幫至煤柱體極限強度作用處距離，m。

極限平衡區跨度范圍是塑性區的寬度，煤體邊緣應力分布與煤柱體極限強度σyp(即支承壓力峰值)、煤層開采厚度m、側壓系數β、煤體與頂板的黏聚力C0、摩擦角φ0及巷道煤壁面一側支護阻力Pt都具有密切聯系。

由式(4)可以看出，塑性區寬度與煤層埋深、煤層開采厚度、側壓系數保持正相關，與內摩擦角、煤體與頂板的黏聚力和煤幫側向支護阻力保持負相關。依據國內外的研究報告，在煤層開采深度為100～500 m范圍內應力平衡區的寬度范圍幾乎與開采的深度成正比增長。界面內摩擦角φ0及黏聚力C0對應力極限平衡區跨度范圍干擾較廣，一般而言，內摩擦角與底板圍巖的力學參數及接觸面的完整平滑度相關，與巖體自身破壞裂隙發展無關。

隨著不斷增加的煤厚度層，同樣地質情況和支護強度的應力極限平衡區的跨度范圍也隨之增加，對于特厚煤層條件下，為了使計算的塑性區寬度更符合實際工程情況，要采取適當的措施來保持頂底板的完整，加固巷道圍巖體保持巷道完整度。界面黏聚力會隨著煤層的破壞而減小，尤其是受到采動的影響，在煤層與頂底板間接觸面黏聚力減小的情況下，增加支護參數值對于巷道圍巖完整性具有較大的作用，同時也能更好地控制應力極限平衡區寬度范圍，保證回采順利完工。

考慮到區段煤柱屬于核心承載區，對于煤柱的承載力的研究尤其重要，而目前采取的Mohr-Coulomb屈服原理、Wilson簡化荷載計算公式均未能研究到主動應力的作用，因此采用平面應變狀態下的SMP破壞標準，建立空間滑動面研究3個主應力的破壞標準，根據SMP標準煤柱體極限強度計算公式見式(5)～式(7)。

σc=c0cotφ

(5)

σyp=D(γH+σc)-σc

(6)

(7)

式中：C0為煤體黏聚力，MPa；φ為煤體內摩擦角，(°)；σyp為煤體的極限強度(即支承壓力峰值)，MPa；σc為主應力表達式中的黏結應力，MPa；γ為煤體的平均體積力，kN/m3；H為煤層埋深，m。

對于建新煤礦4203工作面的實際工況，煤厚度為7.8 m，埋藏深度H=500 m，煤體的內摩擦角φ=36°，黏聚力C0=2 MPa，取煤體的平均體積力γ=25 kN/m3。將建新煤礦實際工況參數代入式(6)中計算得煤柱的極限強度σyp=10.6 MPa。現場測得建新煤礦203工作面其他地質參數為煤層開采高度m=5 m，μ=0.3，β=μ/1-μ=0.428，Pt=0.5 MPa，將測得參數代入式(4)，可得到巷道側煤柱邊緣塑性區寬度xp=2.61 m。

1.3 沿空掘巷區段煤柱合理寬度計算

區段煤柱的完整性受塑性區寬度的干擾較大，塑性區寬度越長，煤柱體易破壞，因此在設計寬度時需要將塑性區的最大情況計算進去，判定煤柱體的合理范圍寬度E計算公式見式(8)。

E=k(xp+xs+xh)

(8)

式中：K為煤體采動影響因子，與頂板巖層完整性有關；xp為巷道側煤柱邊緣塑性區寬度，m；xs為采空區側煤柱邊緣塑性區寬度，m；xh為區段煤柱核心承載寬度，m；由于煤層厚度較大，需要增加煤柱寬度的安全量，通常按照(xp+xs)值的30%～50%進行運算。

當煤體開采高度為5 m、煤均厚度為8 m時，取xh=0.4(xp+xs)，k=1.5，依據建新煤礦203工作面實際地質狀況參數代入式(8)中可得區段煤柱合理寬度E=10.959 m。

2 數值模擬

2.1 模型建立

4203回采工作面是建新煤礦4-2煤層的主采煤層，井下標高為+790～+874 m，回采工作面東側為4202工作面，已回采完畢。根據表1建立沿空掘巷數值模擬仿真試驗模型(圖2)，類似于圖3的數值計算模型從3D網格組運用循環法開展相應的分割區分，在巷道附近產生發散，邊界處網格寬度最大，區段煤柱和巷道處網格寬度為1 m×1 m×1 m，邊界處網格寬度為2 m×2 m×2 m。在模擬過程中，錨桿及錨索采用植入式桁架單元，煤層及其他巖層采用實體單元。

表1 巖層物理力學性質參數

圖3 數值計算模型

2.2 模擬結果分析

上區段回采完畢的采空區側區段煤柱開展相應的應力模擬工作，在確認具體的施工階段過程中，對于采空區進行相關材質的充填處理，冒落穩定堆積可以將其看作連續體。順著采空區的方向預置5 m煤柱，后續區間也擴展5 m，對于實際圍巖應力變動的具體狀況開展論述。對比煤柱邊緣應力的具體參數，多種區間的煤柱體即5～20 m四類情形的塑性區變化開展分析(圖4)。

由圖4可知，20 m寬度的煤柱，頂板位置的下沉量顯著超出其他寬度位置，最高變形量為1 325 mm，該數據近乎其他組別最大數值的2倍。結合具體的變形特征可知，由于區段煤柱寬度指標相對較長，會造成頂板之上的巖梁臂出現斷裂等問題，回轉所帶來的彎矩未能進行有效的卸載，沒有產生垮落的煤層，可能會由于壓力聚集進而造成破斷，對于后續的工作面產生滑動下沉的變化，進一步增進相關頂板的下沉現象。

結合圖4的變化曲線可知，巷道兩側位置的相對變形量數據超過了中間位置，圍巖變形可能會造成應力重分布的現象，對承載區產生顯著影響，實際寬度數據為5～10 m，頂板變形量的實際參數在400～600 mm之間，10 m位置最低變形參數為347 mm，相對于10 m和15 m寬度而言，由于核心區可以較好地承載兩側斷裂擠壓所產生的變動，煤巖體轉移到相應的塑性區，但沒有出現破壞現象，邊緣支撐實際位于降低區的位置，可以達到較為理想的泄壓效果，也可大大節約煤炭資源。

圖4 區段煤柱不同寬度頂板下沉量變動

對巷道直接頂30 m區域內x方向和y方向應力進行分析，繪制不同寬度下掘巷頂板應力分布變化曲線如圖5和圖6所示。

圖5 不同煤柱寬頂板30 m區間的水平應力變化

圖6 不同煤柱寬度下巷道頂板30 m范圍內垂直應力變化曲線

由圖5和圖6可知，距巷道頂板5 m處的水平應力值最大，同一寬度下，水平應力先增加后降低，再緩慢增加，煤柱寬度為20 m時水平應力變化范圍較大，通過觀察5 m、10 m、15 m處水平應力可知，其變化范圍大致在8～30 MPa，平均應力值在20～25 MPa趨于穩定，沿空掘巷開挖巷道受到采空區側邊緣應力影響和區段煤柱側向水平擠壓作用，對于巷幫的支護阻力要求很大，預留的煤柱寬度較小時，加快掘進速率，可大大降低水平應力的集中現象，對于頂板的支護管理有顯著作用。

煤柱寬度為20 m時，由于上覆巖梁體的破壞導致拱形結構變形，不能夠提供穩定的承載結構，上部垮落的巖體塊產生滑落下沉，對于垂直方向應力過大，距離頂板為15～20 m距離的垂直應力增加速率降低，頂板上部開采煤層厚度為8 m左右，垂直應力降低說明有效的支護形式和合理的煤柱寬度對綜采放頂煤有一定的碎煤作用，觀察5 m、10 m、15 m豎向壓力范圍是10～30 MPa，距頂板20 m范圍外豎直壓力有所降低。

3 結 論

1) 本文通過建立極限平衡區計算模型，針對建新煤礦4203工作面地質參數計算得到采空區側煤柱邊緣塑性區寬度。

2) 綜合分析多種區段煤柱寬度，引發實際的應力變動以及重分布現象，對于煤柱核心區域的實際承載力出現顯著轉變，通常會產生常規預留的煤柱寬度過度增長的變化，因此而造成承載能力有一定程度的下降，煤柱之中會產生顯著的應力疊加，內部則會有巖體遭到破壞，過寬的煤柱可能會造成擠壓變形裂隙發育，下沉現象顯著，大幅度提升人工投入，干涉到掘進效率。

3) 研究邊緣應力以及塑性區的相關分析數據，比較相關的模擬實驗數據，可驗證寬度，對類似場景的作業給予良好的借鑒。