傾斜煤層窄煤柱覆巖裂隙演化規律研究

段樹成

（山西煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

我國是煤炭資源大國，煤炭資源分布極其豐富，覆存較廣，但據統計，我國傾斜煤層及急傾斜煤層占比很大。隨著我國對煤層的開采逐步向著其深部移動，開采遇到的問題越來越多，瓦斯超限等問題嚴重制約著礦井的正常開采，為了提升礦井回采率，提出窄煤柱護巷開采技術，通過窄煤柱護巷不僅保證了巷道正常開采，同時可以提升礦井開采效率[1-2]。但在使用窄煤柱護巷時，由于受到煤柱穩定性的影響，使得工作面覆巖出現不同的垮落形態，導致頂板破斷裂隙和離層裂隙形成裂隙帶，影響瓦斯的運移，所以對窄煤柱綜放面覆巖裂隙帶進行研究是十分重要的[3-4]。本文利用數值模擬軟件及現場實測的方案對不同煤柱寬度下覆巖裂隙帶的變化規律進行研究，為傾斜煤層窄煤柱綜放面瓦斯抽采提供一定的依據。

1 不同煤柱寬度下的巷道應力分析

傾斜煤層在傾角的影響下，使得巷道圍巖的應力分布情況十分復雜，巷道圍巖應力分布及其不均。在回采工作面的煤體受到采空區側向支撐及超前支撐壓力的影響下，會形成O-X 的斷裂形式，而由于煤柱留設寬度的不同，使得其上部載荷分布情況也大不相同，窄煤柱應力分布大致呈現為橢拋型，為了進一步研究煤柱寬度對覆巖應力分布情況的影響，利用數值模擬軟件ABAQUS 對窄煤柱下圍巖應力進行進一步分析。

首先建立模型，根據實際地質情況建立模型的長、寬、高分別為200 m、250 m 和180 m，煤層的傾角設置為25°，同時通過開挖指令對煤層進行開挖，開采長度為100 m，沿空留巷的尺寸設定為4.5 m×4 m，在煤層的走向兩邊分別設定50 m 的邊界，避免出現邊界效應，完成模型初步建立后對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時采用煤層周邊加密的劃分，將網格密度設定為1，劃分完成后，共計有45 678 個單元和132 374 個節點。根據實際巖層的力學性質對模型進行物理參數設定，完成模型網格劃分后，對模型應力環境進行設定，在模型的上端施加均勻載荷106 MPa，對模型的四邊進行垂直和水平約束的設定，模型采用摩爾庫倫準則，完成模型設定后對模型進行計算。

對煤柱寬度3～10 m、15 m、20 m、40 m 下巷道圍巖的垂直應力分布情況進行研究，本文僅展示3 m、10 m、20 m 及40 m 時的垂直應力云圖，如圖1 所示。

圖1 不同煤柱寬度下圍巖應力（Pa）云圖

當煤柱寬度為3 m 時，此時應力值小于巖層的原巖應力，此時在煤柱的上端部分范圍內出現不穩定承載區，影響礦井工作面安全開采。當煤柱寬度為10 m時，此時的應力分布與煤柱寬度3 m 時有了明顯的不同，巷道處于高應力范圍，煤柱的頂板底板承載性有了一定的加強，巷道圍巖僅存在部分破壞。當煤柱寬度為20 m 時，此時的巷道頂板應力明顯增大，巷道仍處應力升高區，此時巷道煤柱垂直應力分布較不均勻，在靠近采空區位置應力明顯較大，由于煤柱寬度較大，此時存在一定的資源浪費。當煤柱寬度為40 m時，巷道內部垂直應力分布無規律性，巷道距離側向支撐壓力升高區有一定的距離，巷道承載能力較佳，但也會存在較為明顯的資源浪費情況。

2 不同煤柱寬度下覆巖裂隙帶研究

對不同煤柱寬度下覆巖的裂隙演化規律進行研究，具體對3～10 m、15 m、20 m、40 m 不同煤柱寬度下冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的高度進行研究，繪制不同煤柱寬度下的三帶分布圖如圖2 所示。

圖2 不同煤柱寬度下三帶高度曲線

從圖2 可以看出，彎曲下沉帶高度隨著煤柱寬度的增加呈現出先減小后平穩的趨勢，當煤柱寬度為3～10 m 時，此時的覆巖彎曲下沉帶高度呈現降低趨勢，煤柱寬度為3 m 時彎曲下沉帶高度為122 m，當煤柱寬度增加至10 m 時，此時的巷道彎曲下沉帶高度為102 m，隨著煤柱寬度的繼續增大，彎曲下沉帶的高度幾乎不發生改變。裂隙帶的高度隨著煤柱寬度的增加呈現先增大后平穩的趨勢，在煤柱寬度為10 m時裂隙帶高度不再發生較大的改變，此時的裂隙帶高度為61 m。冒落帶的高度隨著煤柱寬度的變化呈現平穩的趨勢，其高度大致分布在20 m 附近。根據分析可以看出，當煤柱寬度為10 m 時既能保障巷道圍巖的穩定性，同時冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的高度也較為合理，便于工作面瓦斯的抽采，所以煤柱寬度為10 m 時較為合理。

對巷道覆巖關鍵層的離層情況進行分析，對不同煤柱寬度下關鍵層的離層情況進行研究，繪制不同煤柱寬度下巷道覆巖關鍵層離層量曲線如圖3 所示。

圖3 不同煤柱寬度下巷道覆巖關鍵層離層量曲線

從圖3 可以看出，隨著煤柱寬度的增加，覆巖關鍵層離層量呈現逐步降低的趨勢，在煤柱寬度3～10 m時，此時的離層量變化趨勢最大，從煤柱寬度3 m時的離層量1.42 m 降低至煤柱寬度10 m 時的離層量1.12 m，離層量變化幅度為4.3%；當煤柱寬度繼續增大時，離層量變化趨勢逐步降低，從煤柱寬度10 m時的1.12 m，降低至煤柱寬度40 m 時的0.92 m，降低的幅度為0.67%，所以當煤柱寬度為10 m 時，關鍵層控制為經濟性、可行性指標綜合的最佳值。

通過現場實踐對工作面覆巖的裂隙分布情況進行監測，利用YTZ-3 型震動監測系統對覆巖的破裂裂隙進行監測，通過監測彈性波分析覆巖巖層的斷裂信號，分別在皮帶順槽及軌道槽布設采集儀及傳感器對井下工作面推進至139 m 時的微震信號進行監測，期間共收集12 531 個微震事件，數據監測最遠點為距工作面120 m 的位置，通過計算可知煤柱寬度10 m下的裂隙帶的高度為59.1 m。

3 結論

1）利用數值模擬軟件對煤柱寬度3～10 m、15 m、20 m、40 m 下巷道圍巖的垂直應力分布情況進行研究，結果表明，隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖的應力條件逐步改善，巷道的穩定性明顯提升。

2）通過數值模擬軟件對不同煤柱寬度下三帶高度曲線進行分析，發現彎曲下沉帶高度隨著煤柱寬度的增加呈現出先減小后平穩的趨勢，裂隙帶的高度隨著煤柱寬度的增加呈現先增大后平穩的趨勢，最佳合理煤柱寬度為10 m。

3）通過對不同煤柱寬度下巷道覆巖關鍵層離層量進行分析發現，隨著煤柱寬度的增加，覆巖關鍵層離層量呈現逐步降低的趨勢，但在10 m 時下降趨勢明顯減弱，因此最佳煤柱寬度為10 m。