淺埋近距離煤層下區段煤柱尺寸動態優化方法研究

閆 鑫

（晉能控股集團翼城華泓煤業有限公司，山西 臨汾 043500）

0 引 言

我國近距離煤層分布廣泛[1,2]，開采中為了避免上伏煤層遺留煤柱對下伏煤層回采巷道造成應力擾動影響，下煤層往往留設較大的區段煤柱[3,4]，導致資源浪費嚴重，確定合理的煤柱尺寸對于有效回收煤柱資源及保證巷道的穩定至關重要。在這方面研究中，王泓博等[5]指出區段煤柱寬度、埋深、煤柱邊緣至峰值區的距離及其垂直應力峰值控制著應力增高區的發育，確定煤柱- 巷道錯距10～15 m 為優選區間；劉超等[6]針對近距離煤層開采過程中下位煤層回采巷道受上位煤層開采影響煤柱應力集中、巷道支護困難等問題，提出了一種內外錯相結合的回采巷道布置方式；王貴平[7]采用UDEC2D數值軟件，得出了近距離采空區下巷道圍巖應力和破壞場分布隨煤柱寬度的變化規律，計算得出近距離煤層采空區綜采工作面煤柱寬度為14.23 m；李俊星[8]采用數值模擬計算方法，分析了3 種煤柱寬度條件下回采巷道圍巖應力情況，最后確定現場留設煤柱寬度為6 m。綜合文獻分析，對于近距離煤層下區段煤柱尺寸的確定主要集中在煤柱與巷道錯距及煤柱尺寸優化方面，對于上區段煤柱與采空區影響下煤柱尺寸動態優化方法提及較少，有待進一步研究。針對鑫達礦近距離煤層回采過程中存在的煤柱尺寸留設不合理導致的資源浪費問題，采用理論分析與數值模擬相結合方法，分析了近距離煤層回采擾動下區段煤柱尺寸動態優化方法，有效釋放了煤柱資源，實現了近距離煤層資源的安全高效開采。

1 工程概況

鑫達礦四盤區45203 工作面主采5-2 煤層，煤層傾角1°～3°，厚度2.78～4.1 m，煤層中下部含夾矸，巖性為褐黃色泥巖，厚度0.06～0.12 m；工作面正上方為三盤區35104 采空區，北鄰45202 工作面采空區，煤層埋深108.7～212.9 m，回采范圍內兩盤區煤層平均間距為11 m。煤巖體綜合柱狀圖見圖1，工作面布置情況見圖2。工作面回采過程中工作面間普遍留設24 m 厚煤柱，在保證工作面回采安全的同時，為了實現煤柱資源回收最大化，特開展下區段煤柱尺寸動態優化技術攻關。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖

圖2 45203 工作面布置圖

2 下伏煤層煤柱應力分布特征

煤柱較大時，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。

圖3 煤柱較大時垂直應力分布

煤柱較小時，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顯著增加，煤柱在長期較高的支承壓力作用下易發生塑性破壞。

圖4 煤柱較小時垂直應力分布

由以上分析可知，隨著下伏煤層煤柱寬度的減小，將增加煤柱內部應力集中顯現程度，導致高應力區向煤柱內部傳導，減小煤柱內部彈性區作用范圍，降低煤柱承載能力。因此，下伏煤層煤柱塑性區寬度對煤柱穩定性具有重要影響，單純的縮小煤柱尺寸將導致煤柱支撐作用失效，需要根據實際工程情況進行重點分析，最終確定合理煤柱留設寬度。

3 下伏煤層區段煤柱尺寸動態優化方法

3.1 煤柱塑性區寬度確定

煤柱尺寸合理與否對于其自身承載能力、巷道的穩定都會產生一定影響，而保持煤柱穩定的必要前提就是在煤柱中要存在一定寬度的彈性核區，為此保持煤柱穩定的最小寬度表達式如下：

式中：m為煤層厚度，m；x'0為應力極限平衡區塑性區寬度，m；x1為巷幫支護長度，m；k為應力集中系數。

假定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，建立如圖5 所示煤柱極限平衡區力學模型[9]。

圖5 煤柱極限平衡區力學模型

根據圖4 可知，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，可得煤層界面應力表達式為：

式中：Px 為錨桿支護強度，MPa；A為側壓系數；γ為覆巖平均容重，kN/m3；σyl為煤柱極限載荷，MPa；C0為內聚力，MPa；φ0為內摩擦角，°。

應力極限平衡區的塑性區寬度x0的計算式如下：

塑性區內的煤體對內部煤體產生一定的側向應力，基于Irwin 塑性約束系數，煤體塑性約束系數表達式為[6]：

式中：η為流變系數；σc為煤柱抗壓強度，MPa。

故煤柱極限抗壓強度為：

將式（5）帶入式（3）可得，應力極限平衡區的塑性區寬度x0為：

對于多煤層開采，在確定下煤層區段煤柱穩定寬度時，應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，提出多煤層開采影響系數α，按下式計算：

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；Hd為下伏煤層深度值，m。

α取值與開采煤層數有關，當兩層煤開采時，下煤層區段煤柱位于上煤層底板卸壓區時，α=1；位于上煤層底板應力增高區時，α=1～3。此時煤柱塑性區寬度為x'0，如圖6 所示。

圖6 煤柱塑性區寬度分布圖

針對多煤層開采條件下，煤柱塑性區寬度理論計算修正公式為：

四盤區工作面平均埋深200 m，兩煤層間距為11 m。受上區段遺留煤柱影響，在底板處的應力值為5.2 MPa，帶入式（7）計算得到三盤區煤層遺留煤柱影響系數α=1.13。

對于現采四盤區煤層，η=0.75，σc=13.7 MPa，m=3.1m，A=0.9，C0=1.2 MPa，φ0=26°，Px=0.6 MPa，α=1.13，帶入式（8）計算可得x'0=2.97 m。當四盤區煤柱位于三盤區遺留煤柱下方時，下區段煤柱位于高應力擾動區，此時k= 3.5，x1= 2.7 m，帶入式（1）得到此時煤柱最小穩定寬度為17.45 m；當四盤區煤柱位于三盤區采空區下方時，下區段煤柱所受應力有所降低，此時k= 2.9，x1= 2.7 m，帶入式（1）得到此時煤柱最小穩定寬度為14.66 m。

3.2 煤柱尺寸優化數值模擬分析

3.2.1 數值模型構建

通過建立FLAC3D計算模型，對下伏煤層煤柱合理尺寸優化展開研究，為了計算的準確性，在確定煤柱最佳尺寸時將區段煤柱及周圍網格化分為0.5m×0.5 m 的小塊體，構建數值模型尺寸為：600m×250m×150m，共劃分635932 個單元，模型底部及四周進行位移約束，上部施加載荷等效上覆巖層自重，巖層物理力學參數見表1。

表1 巖層物理力學參數

3.2.2 數值結果分析

1）當四盤區區段煤柱位于三盤區遺留煤柱下方。由圖7 模擬結果可知，下伏煤層的四盤區運輸巷處于上區段遺留煤柱高應力影響的邊界位置，該位置的垂直應力達10～11 MPa，巷道已掘進完成無法改變，可對下區段四盤區運巷的位置進行調整，將其布置在上區段煤柱低應力擾動區邊界位置（圖7a），該處所受垂直應力為3～5 MPa，巷道最大垂直位移量僅為16 mm，此時所留煤柱寬度為17.5 m，與理論計算結果比較吻合。

2）當四盤區區段煤柱位于三盤區采空區下方。根據圖8 所示數值模擬結果可知，四盤區輔運巷位于三盤區采空區下方，所受垂直應力和垂直位移量均很小，若兩巷道和區段煤柱均布置于此應力水平下，完全可以滿足煤礦安全生產的需要。采空區下垂直應力約0.5 MPa，而在遺留煤柱下垂直應力可達到7～13 MPa。因此考慮將四盤區工作面巷道和區段煤柱均置于三盤區采空區下方以保證巷道和區段煤柱的穩定性。當區段煤柱上方為實體巖層時，區段煤柱合理尺寸為15 m 時，可以保持區段煤柱的穩定性，與理論計算結果比較吻合。

圖8 煤柱下和采空區下應力分布圖

綜合分析，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17.5 m，若將區段煤柱布置于采空區下，區段煤柱合理尺寸為15 m。

4 煤柱優化后四盤區巷道支護方法

對下區段四盤區煤柱尺寸優化后，為進一步保證調整后四盤區輔運巷的穩定，還需對四盤區輔運巷實施有效支護，其中巷道采用φ22 mm×2 700 mm 高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2.7 m，間排距為0.75 m×0.75 m，巷道中部錨桿垂直頂板及兩幫布置，巷道邊側錨桿與巷道頂板及兩幫呈45°夾角。頂錨索采用φ18.9 mm×8 000 mm 高強度低松弛預應力鋼絞線錨索，頂錨索長度8.0 m，間排距為1.7 m×1.2 m，排與排之間采取“232”交錯布置方式；煤柱幫補打錨索長度為5.0 m，間排距為1.8 m×1.2 m，。鋼筋梯子梁采用φ14 mm 圓鋼焊制而成，長度為2 600 mm 與1 700 mm，寬度80 mm，在安裝錨桿的位置焊接上2 道縱筋，縱筋間距80 mm，以便安裝錨桿。巷道支護斷面見圖9。

圖9 巷道支護斷面圖

5 現場實踐效果分析

針對研究提出的近距離煤層下區段煤柱尺寸動態優化方法在四盤區進行了工程實踐，并對煤柱優化后的四盤區輔運巷變形情況進行了現場監測，監測結果見圖10。可以看出，巷道整體變形表現為緩慢增長- 快速增長- 平穩波動變化特征，變形趨于穩定后，頂板最大下沉量為165 mm，煤柱幫最大位移量為154 mm，回采幫最大位移量145 mm，巷道整體變形較小，在允許范圍內，優化后的煤柱尺寸滿足巷道穩定要求，實現了煤柱資源的有效回收。

圖10 巷道變形監測結果

6 結 論

1）隨著下伏煤層煤柱寬度的減小，將增加煤柱內部應力集中顯現程度，導致高應力區向煤柱內部傳導，降低煤柱承載能力，確定煤柱合理寬度時，應充分考慮煤柱塑性區分布情況。

2）理論確定了下伏煤層塑性區寬度理論修正式，計算得到上伏遺留煤柱影響系數為1.13，結合數值模擬分析，優化后區段煤柱位于遺留煤柱下合理寬度為17.5 m，位于采空區下的合理寬度為15 m，驗證了理論計算結果的可靠性。

3）針對煤柱優化后的四盤區輔運巷，提出了“錨桿+錨索+鋼筋梯子梁”聯合支護方法，通過現場實踐，變形趨于穩定后，頂板最大下沉量為165 mm，煤柱幫最大位移量為154 mm，回采幫最大位移量為145 mm，整體穩定性較好，實現了煤柱尺寸的動態優化，有效釋放了煤柱資源。