馬堡煤業高應力環境小煤柱合理留設寬度研究

白亞軍，閆循強

(1.山西馬堡煤業有限公司，山西 長治 046300；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

煤柱留設是煤礦開采中的一個關鍵技術[1]，關系到開采空間穩定性、煤炭資源回收率及煤礦安全等一系列問題。煤礦井下煤柱大致可分為以下三類[2-3]，礦井保護煤柱、采區煤柱及工作面煤柱。合理的煤柱尺寸應達到兩個目的[4-6]，一是要保證煤柱保護巷道圍巖的穩定性，使巷道在服務期間能夠滿足生產要求；二是盡量減小煤柱尺寸，提高煤炭資源回收率。

馬堡煤業15號煤層采用大采高綜采一次采全高采煤法，區段煤柱留設尺寸均為20 m左右，浪費了大量煤炭資源，小煤柱沿空掘巷由于能有效回收煤柱資源，在我國得到了廣泛的應用與發展。我國普遍應用的是留3～6 m小煤柱沿空掘巷，能有效解決巷道漏風問題，防止采空區矸石滾落巷道內，具有較高的技術經濟效益。

1 工作面概況

馬堡煤業15202工作面北東側與152采區膠帶、軌道、回風下山相連接；南東側為設計的15202工作面實體煤；北西側為152采區實煤體；南西側為實體煤。工作面位置如圖1所示。15202運輸巷煤層結構簡單，煤層厚度4.75～5.04 m，平均4.9 m，綜合柱狀圖如圖2所示。15202運輸巷整體為一單斜構造，巷道掘進方向地質構造發育較為簡單，無大型斷層構造發育。2019年在152采區進行地應力測試，測試結果為16.32 MPa，表明15號煤應力水平較高，根據15205工作面回采期間回風巷應力及圍巖移動變形觀測結果，巷道兩幫最大移近量達2 m，并有斷錨現象，表明巷道處于高應力環境中。

圖1 15202工作面巷道布置平面圖

圖2 綜合柱狀圖

2 地質力學試驗

2.1 頂板結構鉆孔窺視實驗

在15202運輸巷進行頂板結構鉆孔窺視，試驗結果如表1和圖3所示。

表1 15202運輸巷頂板窺視匯總

圖3 鉆孔窺視圖

根據鉆孔窺視結果，結合綜合柱狀圖，處于0～10范圍的粉砂質泥巖和細砂巖巖性裂隙較發育，工作面回采過后易自然垮落，由于受限于窺視儀電纜長度，10 m以上頂板未取得窺視數據。

2.2 煤巖物理力學實驗

2021年3月在馬堡煤業15202聯絡巷中間取樣，由于取芯鉆存在問題且頂板巖層破碎，完整取芯23段，主要為頂板上方3～11 m、17～18 m層位，頂板巖層取芯及試樣如圖4所示。而后開展了實驗室物理力學測試工作。

圖4 頂板巖層取芯及試樣

由試驗結果可知，煤層單軸抗壓強度在13.68～16.24 MPa，平均15.18 MPa，屬中硬煤；直接頂為粉砂巖，抗壓強度24.15～49.14 MPa，平均41.09 MPa；基本頂細粒砂巖抗壓強度37.52～55.46 MPa，平均49.14 MPa，較堅硬；砂質泥巖抗壓強度28.41～35.62 MPa，平均32.03 MPa；煤層上方16～20 m層位K2石灰巖抗壓強度平均達71.88 MPa，屬堅硬巖層。由此可知，15號煤層強度較高，硬度在1.5左右，頂底板條件較好，K2石灰巖硬度，完整性較好，在采空區側向可能形成較大范圍懸臂結構，對小煤柱留設影響較大。

3 小煤柱合理寬度確定

3.1 理論計算

煤柱內部塑性破壞區域尺寸是合理留設煤柱寬度的關鍵[7-8]。將煤體視為均質連續體，基于莫爾—庫倫準則和彈性力學的有關知識能夠求得極限平衡區的寬度為：

(1)

式中：m為煤柱高度，取4 m；PX為錨桿對煤柱的側向阻力，取10 MPa；λ為塑性區邊界面的側壓系數，取1.5；σx、σy分別為沿x軸和y軸方向上的應力，根據地應力測試結果，水平應力取16 MPa，垂直應力取12 MPa；K為塑性區邊界面應力集中系數，取2；γ為上覆巖層平均容重，取為0.025 MN/m3；C0為煤層粘聚力，取2.5 MPa；H為煤柱埋深，取450 m；φ為煤體內摩擦角，取25°.

將各值帶入公式(1)得出，馬堡煤業小煤柱留設范圍內煤柱的極限平衡區的寬度為X1=1.93 m.

為了避免固定和殘余支承壓力對巷道的影響，故運用錨桿(索)對護巷煤柱進行支護，在高圍巖應力的作用下，可能會使得錨桿(索)錨固范圍處于煤柱的塑性破壞區內，致使錨固效果差，故錨桿長度X2也是煤柱合理寬度所要考慮的因素，錨桿長度取2.4 m；此外，考慮到影響煤柱穩定的其他未知因素，因此對煤柱添加一個安全系數X3，以避免不定因素對煤柱的影響。綜上所述，沿空巷道護巷煤柱合理的寬度表達式為：

B=X1+X2+X3

(2)

式中：X1為煤柱塑性區寬度；X2為錨桿長度；X3為煤柱安全系數，一般取 0.15～0.4(X1+X2)。帶入公式(2)，得出煤柱合理寬度為B=4.98～6.06 m.因此，經初步理論計算得出馬堡15204工作面合理小煤柱留設寬度為4.98～6.06 m.

3.2 數值模擬

采用FLAC3D數值模擬軟件對馬堡小煤柱合理留設寬度進行分析，分別模擬煤柱寬度4 m、5 m、6 m、7 m、8 m五種條件下煤柱及巷道圍巖塑性區變化及應力環境，模擬結果如圖5～圖7所示。

圖5 不同尺寸煤柱圍巖塑性區分布圖

圖6 不同尺寸煤柱圍巖垂直應力分布圖

圖7 不同尺寸煤柱圍巖水平應力分布圖

由數值模擬結果可知，從塑性變形來看，隨著煤柱尺寸的增加，煤柱一直處于塑性區范圍內，巷道圍巖塑性區破壞范圍逐漸降低，表明4～8 m小煤柱均處在塑性變形區，但煤柱寬度的增大能夠在一定程度上降低巷道圍巖的塑性變形范圍。從圍巖應力環境可以看出，巷道上幫以垂直應力為主，在上幫的下部幫角位置出現明顯的應力集中，應力集中程度隨著煤柱寬度的增加逐步增大，當煤柱寬度由4 m增加到8 m時，垂直應力峰值由7.2 MPa增長至16.7 MPa；底板以水平應力為主，直接底主要呈現為壓應力，煤柱寬度7 m時底板水平應力達到17.9 MPa峰值，在煤柱寬度8 m時水平應力最低，為10.7 MPa，其余寬度煤柱時，水平應力在14 MPa左右。

根據數值計算結果可以看出，小煤柱巷道上幫存在垂直應力峰值區，主要位于下幫角處，隨著煤柱寬度的增加，應力峰值逐漸增大；底板主要受水平壓應力影響，應力峰值基本在14 MPa以上，且影響范圍較大，當煤柱寬度為6 m時，垂直應力峰值水平較低，上幫影響程度較低，底板最大水平應力影響范圍較小。結合理論計算結果，最終確定馬堡煤業15號煤層15202工作面小煤柱合理留設寬度為6 m.

4 結 語

1) 綜合分析對比15202運輸巷鉆孔窺視結果可知，孔口0～4 m之間巖層破碎，完整性差；4～9 m之間屬基本頂細砂巖層位，裂隙發育逐漸減少，圍巖完整性較好。由煤巖物理力學試驗結果可知，直接頂抗壓強度平均40.19 MPa，K2石灰巖頂板堅硬，平均抗壓強度達71.88 MPa，為理論分析及數值模擬提供重要參數。

2) 采用數值模擬方法分析了煤柱寬度4～8 m五種條件下煤柱的破壞特征及巷道應力環境，由計算結果可知，小煤柱巷道上幫存在垂直應力峰值區，主要位于下幫角處，隨著煤柱寬度的增加，應力峰值逐漸增大；底板主要受水平壓應力影響，應力峰值基本在14 MPa以上，且影響范圍較大，當煤柱寬度為6 m時，垂直應力峰值水平較低，上幫影響程度較低，底板最大水平應力影響范圍較小。結合理論計算結果，最終確定馬堡煤業15號煤層15202工作面小煤柱合理留設寬度為6 m.