深部傾斜中厚煤層沿空掘巷煤柱留設尺寸研究

蘇岳嶸

(山西朔州平魯區 蘭花永勝煤業有限公司，山西 朔州 036900)

隨著國家經濟技術對煤炭需求的日益增長，煤炭開采逐漸轉入深井開采階段，且深度推進速度逐漸加快，深部開采逐漸成為趨勢[1-2]。深部開采條件下，高應力疊加巷道采掘應力，極易引起巷道圍巖變形破壞，造成巷道變形失穩，針對上述問題，礦井采用留設大煤柱方式進行巷道維護，這樣不僅造成資源浪費，易形成孤島煤柱，還為下層煤層開采造成困難[3-5]。沿空掘巷作為無煤柱開采的一種形式，分為完全沿空掘巷和留窄煤柱沿空掘巷，兩種方式在改善巷道應力的同時，有效降低了煤炭資源的浪費，提高了煤炭回收率[6-7]。

國內外學者針對沿空掘巷煤柱進行了廣泛研究。呂情緒等[8]利用數值模擬基于水平應力、垂直應力和位移的演化規律分析不同測壓系數下的復合頂板煤層巷道圍巖變形特征，確定應力作用范圍，并進行不同寬度煤柱下的應力分布特征和位移變形規律分析，確定合理的煤柱留設寬度；許博等[9]基于礦井原煤柱留設尺寸較大，通過分析巷道覆巖力學環境進行煤柱分析；基于極限平衡理論確定合理煤柱寬度，并利用數值模擬進行煤柱水平位移、垂直應力分布及回采巷道變形分析確定煤柱合理尺寸；潘博等[10]對煤柱留設尺寸的影響因素進行分析，基于數值模擬進行不同寬度煤柱的應力云圖、位移云圖和塑性區的對比，確定最佳煤柱留設尺寸。李俊星[11]針對礦井孤島工作面回采期間巷道變形大等情況，提出沿空掘巷留設窄煤柱配合水力預裂技術方案，利用數值模擬通過分析煤柱垂直應力分布、圍巖變形和圍巖塑性區分布情況進行煤柱合理尺寸確定；和樹棟[12]基于數值模擬方式進行圍巖垂直應力分布和圍巖塑性區分布分析確定煤柱留設合理尺寸，并利用極限平衡法進行理論驗證；王統海等[13]以深埋巷道為工程背景，通過建立煤柱力學模型分析沿空掘巷煤柱留設影響因素，并進行巷道圍巖應力、圍巖位移和塑性區演化等因素的數值模擬，確定合理煤柱尺寸。

上述研究極大豐富了沿空掘巷煤柱留設的研究內容，但研究領域多集中于利用數值模擬確定煤柱尺寸，理論分析多以極限平衡法進行分析，然而當煤層傾角較大時，極限平衡區理論準確度不足。本文以某礦25301工作面回風巷為工程背景，通過建立傾角煤柱力學模型進行煤柱尺寸留設研究，并利用數值模擬進行驗證，確定合理煤柱寬度，為礦井安全生產提供指導。

1 工程概況

某礦25301工作面位于3號煤層，煤層厚度在1.4 ～4.0 m之間變化，平均煤厚3 m，煤層傾角平均18°，平均埋深622.7 m，煤層走向長732.2～732.4 m，平均732.3 m，傾斜長平均189.8 m.礦井最大主應力作用方位為北西西-南東東，在礦井垂深608～657 m范圍內，最大主應力31.8～34.3 MPa，其中最大主應力與最小主應力比值范圍為1.93～2.37.

工作面含部分偽頂，偽頂厚度0.2 m，為灰黑色，直接頂為黑色碳質泥巖，厚度2.38 m，基本頂為深灰色粉砂巖，泥質膠結，厚度5.05 m，直接底為深灰色粉砂巖，厚度2.8 m，直接底為灰色粉砂巖，層面附黃鐵礦，具有明顯的水平或微波狀層理。工作面頂底板綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖層綜合柱狀圖

2 覆巖頂板破斷結構特征

隨著工作面不斷推進，基本頂覆巖壓力及自重超過自身破斷強度，發生破斷，當工作面持續推進時，基本頂呈現周期性破斷，呈現“O-X”破斷特征，如圖2所示，分別破斷成關鍵塊A、關鍵塊B和關鍵塊C，其中關鍵塊A位于工作面煤壁上方，關鍵塊B以斷裂線為基準向采空區回轉或滑落變形，位于沿空巷道上方[14]，關鍵塊C位于采空區矸石上方壓縮下沉，其中關鍵塊B的變形狀態對巷道穩定有重要影響，為巷道礦壓環境大結構，在上覆大結構穩定后，在下方煤層中進行沿空巷道的掘進，并進行圍巖支護，相對于覆巖大結構，巷道圍巖內形成的錨固結構稱為小結構。

圖2 覆巖破斷結構特征示意

3 傾斜煤柱支承壓力分析

為便于分析支承壓力峰值距離巷幫位置，即極限平衡區的范圍，建立如圖3所示的力學模型和坐標系統[15-16]。

圖3 煤柱力學模型

基于圖3所示力學模型，根據彈性力學平面應變平衡方程及巖石力學結構面抗剪強度表達式可得極限平衡區范圍方程：

(1)

煤柱極限強度實質上指煤柱長期受到垂直荷載的作用下峰值應力點所能達到的極限應力，因此它與其自身的單軸抗壓強度和水平方向的約束力有關，因此煤柱極限強度方程可表示為：

σy1=δησc=2.729(ησc)0.729

(2)

聯立式(1)和 式(2)可得煤柱極限破壞深度：

(3)

式中：m為工作面采高，m；α為煤層傾角，°；A為側壓系數，A=μ/(1-μ)；μ為泊松比；γ0為煤體平均體積力，MPa；σc為煤巖體單軸抗壓強度，MPa；η為煤巖流變系數；Px為上區段工作面巷道煤幫的支護阻力，MPa.

基于礦井實際情況，取m=3.0 m，α=18°，C0=3.0 MPa，A=0.5，Px=0.4 MPa，φ0=32°，γ=0.25 MN/m3，η=0.45，σc=13 MPa，計算得煤柱極限為2.75 m.

因此合理留設煤柱尺寸為：

B=x1+x2+x3

(4)

式中：x1為極限破壞范圍；x2為巷幫側錨桿有效長度；x3為安全有效寬度，一般為x1+x2之和的10%～20%.

結合前述內容可知：x1=2.75 m，x2=1.8 m，則x3=0.15×(2.75+1.8)≈0.68 m，則煤柱留設尺寸B=5.23 m.

為進一步確定方案效果，文章基于數值模擬進行垂直應力和塑性區分布驗證，分別選取3 m、4 m、5 m、6 m和7 m煤柱進行試驗，通過模型應力提取，獲得如圖4所示不同寬度煤柱垂直應力分布圖。

分析圖4可知，當煤柱寬度由3 m變化到5 m時，煤柱應力集中系數分別為1.44、1.51和1.54，當煤柱寬度由6 m變化到8 m時，煤柱應力集中系數分別為1.79、1.81和1.85，在4～5 m煤柱范圍內巷道峰值應力變化較小，說明5 m煤柱為煤柱峰值應力拐點。

圖4 不同寬度煤柱垂直應力分布云圖

為進一步確定煤柱彈塑性狀態，通過模型提取獲得如圖5所示不同煤柱塑性區分布圖。

圖5 不同寬度煤柱塑性區分布

當煤柱為3 m時，煤柱內部基本破壞完全，由于煤層傾角作用明顯，煤柱內部及巷道臨近煤柱側基本呈現剪切破壞；當煤柱為4 m時，煤柱內部完整區域擴大，但中部仍有部分煤柱發生塑性破壞，使得支承能力降低；當煤柱為5 m時，煤柱內部完整區域已經從中部向巷道側延伸，承載能力進一步提高，煤柱穩定相增強；當煤柱寬度大于5 m時，煤柱完整區域隨煤柱寬度增大而增加，破壞區域主要集中在巷道四角位置，近似呈X形分布。

基于前述內容分析確定5 m煤柱為沿空掘巷最佳煤柱尺寸。

4 結 語

本文以某礦2021工作面回風巷為工程背景，針對深部傾斜中厚煤層等特點，進行沿空掘巷煤柱尺寸留設研究，通過建立模型分析，確定如下結論：

1) 對沿空巷道覆巖關鍵塊力學大結構進行分析，確定關鍵塊B的回轉變形和滑落失穩是影響巷道穩定性的主要原因。

2) 基于彈性力學建立傾斜煤層沿空掘巷煤柱支承壓力模型，并對確定合理煤柱尺寸為5.23 m.

3) 通過數值模擬建立并分析不同寬度煤柱尺寸的垂直應力峰值分布，確定5 m煤柱時，為煤柱應力峰值拐點。