近距離下伏煤層區段煤柱合理尺寸優化方法研究

楊志弘

(山西忻州神達南岔煤業有限公司，山西 忻州 036700)

我國地下煤礦廣泛采用綜采工藝，特別針對近距離煤層綜采工作面而言，工作面間往往留設一定寬度的區段煤柱，其作用一方面在于隔離采空區，另一方面在于保證下區段巷道的穩定[1]。如果煤柱留設寬度較小，將導致煤柱應力擾動范圍內的巷道變形嚴重，不利于巷道穩定；如果煤柱寬度較大，將造成不必要的資源損失與浪費。因此，合理的煤柱留設寬度對于工作面巷道的穩定及礦產資源高效回收具有重要影響[2-3]。針對近距離煤層回采條件，通過對原留設區段煤柱尺寸進行合理優化，對于礦山安全高效開采至關重要[4-6]。

在煤柱尺寸優化研究方面，趙鐵林[7]采用理論計算、數值模擬和現場實測相結合的研究方法，分析了特厚煤層綜放開采沿空掘巷煤柱寬度的合理尺寸為6 m；裴治[8]采用實驗室測試和數值模擬方法對王村煤礦護巷煤柱的穩定性進行了分析研究，指出12 m煤柱可以兼顧煤柱穩定性和提高采出率的要求；商鐵林等[9]分析了上覆巖層的垮落結構和區段煤柱的受力狀態，給出了區段煤柱合理寬度的理論計算公式。綜合文獻分析，對于煤柱尺寸優化研究主要集中在單一煤層開采工藝條件，對于近距離煤層開采，下伏煤層巷道布置及區段煤柱留設尺寸留設主要受上伏煤層區段煤柱應力擾動影響，針對近距離下伏煤層區段煤柱合理尺寸優化方法有待進一步研究。

為此，本文以某礦近距離煤層開采為工程背景，分析了不同煤柱寬度支承壓力分布特征，給出了下煤層應力極限平衡區寬度理論修正計算式，結合數值模擬分析確定了合理的下伏煤層區段煤柱尺寸，在保證工作面巷道的穩定的同時，有效釋放了煤柱資源。

1 工作面概況

某煤礦礦井面積177 km2，煤炭儲量15.42 億t，其中可采儲量9.27億t.3號煤層平均厚度為2.25 m， 4號煤層厚度4.65～5.85 m，平均厚度5.3 m，煤層傾角0～3°，平均傾角0.8°，4號煤層中下部普遍含一層夾矸，局部區域中上部含一層夾矸，巖性為褐黃色泥巖，平均厚0.1 m.兩煤層平均間距約為10 m，煤巖體綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

礦井工作采用綜采一次采全高、后退式全部垮落法管理頂板，相鄰工作面之間留設24 m寬度的區段煤柱，45203工作面布置情況如圖2所示。工作面開采過程中，為保證合理有效回收煤炭資源，減少資源損失，特開展近距離下伏煤層合理區段煤柱尺寸確定方法研究，通過對原24 m寬區段煤柱尺寸進行合理優化，釋放煤柱資源，實現工作面安全高效開采。

圖2 45203工作面布置圖

2 不同煤柱寬度支承壓力分布特征分析

當區段煤柱兩側工作面回采結束后，根據留設煤柱寬度的不同，其應力分布特征主要表現為以下兩種類型。

1) 大煤柱條件。當區段煤柱寬度(24 m)較大時，煤柱兩側支承壓力由邊緣向內部逐漸增加至峰值后不能降低至原巖應力水平，而是在中部產生支承壓力疊加，如圖3所示。煤柱兩側塑性區范圍較小，煤柱中部全為應力增高彈性區，有利于煤柱整體的穩定。

圖3 大煤柱條件垂直應力分布圖

2) 小煤柱條件。當煤柱尺寸(8 m)較小時，煤柱兩側支承壓力峰值將產生疊加，導致煤柱中部支承壓力趨近于兩側峰值壓力大小，如圖4所示。受煤柱兩側工作面采動影響，峰值處的應力集中系數可達4～5倍，煤柱在長期較高的支承壓力作用下更容易發生塑性破壞。

圖4 小煤柱條件垂直應力分布

綜合分析，在工作面煤柱兩側采空條件下，煤柱寬度越小，煤柱所受載荷越集中，峰值應力向內轉移，中部彈性核范圍減小，塑性區寬度增大，因此，在確定煤柱合理寬度時，應當考慮煤柱所處應力環境的影響。

3 區段煤柱合理尺寸理論計算分析

3.1 區段煤柱極限平衡區力學模型構建

將煤體簡化成均勻、連續、各向同性的理想彈-塑性材料，認為區段煤柱首先從邊緣發生破壞，且塑性破壞范圍逐漸向內擴展，一直到與內部彈性區交界處，并達到極限平衡狀態，利用極限平衡理論[10]，建立煤柱極限平衡區力學模型如圖5所示。

圖5 煤柱極限平衡區力學模型

根據建立的煤柱力學模型可知，由于煤體與頂底板巖層交界面的粘聚力C0和摩擦角φ0較煤體的小，在頂板巖層應力作用下，煤體與頂板巖層在分界面將發生相對運動，并伴有剪應力τxy產生，在剪應力作用下，煤體發生破壞，假設不考慮體積力，建立煤層界面應力平衡微分方程：

(1)

式中：C0為煤層界面內聚力，MPa；φ0為煤層界面內摩擦角，°.

應力邊界條件為：當x=0時，σx=Px，σy=Px/A；當x=x0時，σx=γH,σy=σyl.

結合應力邊界條件，并根據應力分析及具體推導過程，可得煤層界面應力為：

(2)

式中：Px為錨桿支護對煤柱幫部的支護力，MPa；A為煤層的側壓力系數；γ為煤層頂板巖層的平均容重，kN/m3；σyl為煤柱極限強度，MPa.

應力極限平衡區寬度x0為：

(3)

煤柱兩側受掘進及采動影響形成一定范圍的塑性破壞區，塑性區內的煤體對內部煤體產生一定的側向應力，即塑性約束，煤柱峰值應力介于單向和三向受力狀態區域之間。因此，煤柱極限抗壓強度為：

σyl=2.729(ησc)0.729

(4)

式中：η為流變系數；σc為煤體試件單軸抗壓強度，MPa.

將公式(4)帶入公式(3)可得，應力極限平衡區寬度x0為：

(5)

由于三盤區煤層已回采完畢，在四盤區上方形成采空區和遺留煤柱，采空區和遺留煤柱在底板分別形成一定范圍的卸壓區和應力增高區，如圖6所示。隨著四盤區煤層回采結束，將會形成采空區重疊、煤柱重疊情況，四盤區煤層區段煤柱不可避免地布置在上部已采煤層形成的應力影響區內。

圖6 煤柱底板應力分布

對于近距離煤層開采，在確定下煤層區段煤柱合理寬度時，有必要探討上部已采煤層遺留煤柱或采空區底板應力分布的影響，因此，在下煤層區段煤柱寬度計算過程中，提出近距離煤層開采影響系數α，按公式(6)計算：

(6)

式中：σz為上煤層遺留煤柱(采空區)底板在該處的垂直應力值，Pa；γ為下煤層上覆巖層平均容重，N/m3；Hd為下煤層埋深，m.

圖7 煤柱彈塑性變形區

針對近距離層開采條件下，下煤層應力極限平衡區寬度理論計算修正公式為：

(7)

3.2 區段煤柱合理寬度確定

對于四盤區段煤柱的確定，需考慮三盤區開采的影響，四盤區工作面平均埋深200 m，與三盤區煤層間距為10 m.受三盤區煤層遺留煤柱影響，在底板10 m附近處的應力值為5.35 MPa，帶入公式(6)求得，三盤區煤層遺留煤柱影響系數α為1.13.

對于四盤區煤層，η取0.749，σc取13.8 MPa，m取3.1 m，A取0.9，C0取1.2 MPa，φ0取26°，Px取0.6 MPa，α取1.13，將參數帶入公式(5)計算可得：煤柱下45203工作面區段煤柱回采幫塑性區寬度x0取2.97 m，煤柱幫錨桿有效支護長度x1為1.8 m，根據四盤區區段煤柱位于三盤區遺留煤柱下方，根據區段煤柱保持穩定的基本條件，k取4，帶入公式(7)可得：四盤區區段煤柱保持穩定的最小寬度B為17.17 m.

4 區段煤柱尺寸優化數值模擬分析

4.1 數值模型構建

以該礦4盤區實際工程條件為背景，構建數值模型尺寸為：700 m×200 m×120 m，共劃分594 562個單元，煤巖體物理力學參數見表1.

表1 煤巖體物理力學參數

四盤區原有區段煤柱尺寸為24 m，由于巷道在該尺寸區段煤柱下穩定性較好，故考慮在保證煤柱穩定的前提下縮減煤柱尺寸。因此，分別選取區段煤柱寬度24 m、20 m、17 m、14 m時塑性破壞情況進行模擬分析，最終確定四盤區區段煤柱最佳尺寸。

4.2 數值結果分析

不同寬度區段煤柱塑性區變化情況如圖8所示。區段煤柱在工作面回采后，受側向支承壓力影響，區段煤柱兩側產生塑性區，塑性區深度隨著煤柱尺寸的縮減逐漸增大，而且區段煤柱內部的彈性區寬度隨煤柱寬度的減小而減小。當區段煤柱寬度為24 m時，煤柱中部彈性區寬度為16.3～22.4 m，塑性區寬度為1.7～5.8 m；當區段煤柱寬度為20 m時，彈性區寬度為14.6～18.5 m，塑性區寬度為2.2～6.4 m；當區段煤柱寬度為17 m時，彈性區寬度為10.2～14.3 mm，塑性區寬度為2.5～6.8 m；當區段煤柱寬度為14 m時，塑性區貫穿整個煤柱，區段煤柱失去支撐作用。綜合分析，四盤區區段煤柱寬度不應小于17 m.

圖8 不同寬度區段煤柱塑性區分布圖

三盤區區段煤柱底板巖層應力及位移分布情況如圖9所示。

圖9 區段煤柱底板巖層應力及位移分布圖

在現有巷道及工作面布置下，四盤區運輸巷位于三盤區遺留煤柱下應力集中區域左下方，所受垂直應力較大，為10～11 MPa.根據工作面布置方式，運輸巷由于上工作面的布置情況，位置已經固定。因此，通過改變輔運巷的位置來縮減區段煤柱尺寸。由于輔運巷處在三盤區煤層采空區下方，所受垂直應力較小，為3～5 MPa.因此將輔運巷向運輸巷方向移動6.8 m，使巷道處在5～8 MPa應力水平下，此時巷道最大垂直位移量為18 mm，巷道穩定性較好。因此，根據數值模擬結果可知四盤區區段煤柱位于三盤區遺留煤柱下時，合理煤柱寬度為17.2 m.

綜上所述，當四盤區區段煤柱位于三盤區遺留煤柱下時，區段煤柱合理尺寸為17.2 m，這一結果與理論計算得到的17.17 m區段煤柱寬度較為接近，進一步驗證了理論分析的可靠性，最終確定合理區段煤柱尺寸為17.2 m.由于原區段煤柱為24 m，通過煤柱尺寸優化，區段煤柱尺寸減小6.8 m，有效提高了煤柱資源的回收率。

5 結 語

1) 通過分布不同煤柱寬度的支撐應力分布特征，在工作面煤柱兩側采空條件下，煤柱寬度越小，煤柱所受載荷越集中，峰值應力向內轉移，中部彈性核范圍減小，塑性區寬度隨之增大。

2) 通過構建區段煤柱極限平衡區力學模型，給出了下煤層應力極限平衡區寬度確定的理論修正計算式，可得到區段煤柱保持穩定的最小寬度為17.17 m.

3) 通過數值模擬分析，區段煤柱兩側產生的塑性區，其深度隨著煤柱尺寸的縮減逐漸增大，四盤區區段煤柱寬度不應小于17 m.研究提出將輔運巷向運輸巷方向移動6.8 m，此時巷道所受應力為5～8 MPa，最大垂直位移為18 mm，由此確定合理煤柱寬度為17.2 m.區段煤柱尺寸減小6.8 m，有效提高了煤柱資源的回收率。