煤峪口礦殘采煤柱工作面條件下煤柱的穩(wěn)定性分析研究

魏川博

（1.中國礦業(yè)大學（北京）北京100083；2.晉能控股煤業(yè)集團技術中心山西大同037003）

1 引言

在開采煤柱、不規(guī)則塊段、“三下”采煤等條件下,短壁開采仍然是主要采煤方法[1]。煤峪口礦經過多年開采，一方面是容易開發(fā)的煤炭資源面臨枯竭，另一方面是資源回采率低導致殘留下大量的優(yōu)質煤炭資源。而如何提高資源回采率、安全、高效、經濟地采出因各種原因而遺留在礦井中的煤炭資源是節(jié)約資源、延長礦井壽命、增加企業(yè)經濟效益的重要且常規(guī)的做法。劉克功、王家臣[2]等對潞安集團五陽煤礦“三下”殘煤短壁式復采工作面的布置方案、回采工藝工程、巷道支護方式和煤柱穩(wěn)定性等進行了系統(tǒng)的分析與研究。王永春等[3]采用短壁機械化的采煤方法復采了平朔安家?guī)X井工二礦的邊角殘煤和塊段殘煤，提高了資源利用率。本文分析研究了煤峪口礦兩硬煤層殘采煤柱工作面特殊條件下煤柱的穩(wěn)定性，為下一步回采提供保障。

2 工程概述

煤峪口礦11#、12#煤層合并層412盤區(qū)復采煤柱工作面煤層硬、頂板硬、開采過程中來壓強度大，煤柱易發(fā)生失穩(wěn)破壞等綜合復雜條件，頂板斷裂對煤柱穩(wěn)定性的影響很大。

412盤區(qū)走向長度813 m，傾斜長度758 m，412煤柱工作面長度51 m，煤層平均厚度為7m，計劃采用綜合機械化放頂煤開采，采高3 m，放煤高度4 m。由于生產系統(tǒng)處于掘進初期，缺乏工作面的實際地質資料，以相鄰810161工作面的地質資料為研究對象。810161工作面位于11#、12#煤層412盤區(qū)中部，地面標高：1 290 m～1 331.7 m，工作面標高：9 93.9 m～1 012.8 m；東隔礦界煤柱，南為81018工作面采空區(qū)，西與410盤區(qū)巷道相連接，北為81014工作面采空區(qū)；上覆3#煤層已采空。

圖1 地層綜合柱狀圖

3 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性計算

根據實踐經驗，為保證巷道和煤柱的穩(wěn)定，將沿空巷道布置在應力降低區(qū)內[4]。確定煤柱寬度時，過寬的煤柱會造成回收率降低，煤炭資源浪費，過窄的煤柱會降低煤柱穩(wěn)定性，給支護帶來困難。為分析短壁綜放采場的側向支承壓力的分布，根據理論分析簡化，建立力學模型，分析應力峰值點與巷幫之間的距離。由模型的受力狀態(tài)，列平衡微分方程：

圖2 側向支承壓力分布力學模型示意圖

式中，fx和fy分別為煤體在x和y方向的體積力，fx=0，fy=mxγ；c為煤層與頂板接觸面處的黏聚力，φ為煤層與頂板接觸面處的摩擦角，λ為側壓系數。

經計算可以求得極限平衡區(qū)x0。此外，穩(wěn)定的煤柱寬度W還應滿足煤柱寬度公式，W=x0+x1+x2，x0為極限平衡區(qū)寬度，x1為煤柱穩(wěn)定系數下增加的厚度，按（x0+x2）的（30%～50%）計算；x2為錨桿有效長度，取1.6 m～2 m；

將m=3 m，λ=0.3，φ=27°，c=1.1 MPa，γ=25 kN/m3，Fx=0.25 MPa，K=1.5，代入得x0=2.56 m。

得出W=x0+x1+x2=2.56+0.3×(2.56+1.6)+1.6=5.41 m

4 煤柱寬度穩(wěn)定性的數值模擬實驗

對5 m、7 m兩種煤柱寬度條件下，殘煤復采短壁綜放工作面及煤柱所受應力和煤柱破壞情況進行數值模擬，得到不同煤柱寬度下不同推進長度的塑性區(qū)區(qū)域，結果如下：

（1）不同煤柱寬度下不同推進長度的塑性區(qū)區(qū)域

圖3 煤柱為5 m，推進120 m時的塑性區(qū)域

圖4 煤柱為7 m，推進120 m時的塑性區(qū)域

對比煤柱寬度在5 m、7 m的條件下，5 m煤柱具有約1 m左右的非變形破壞區(qū)，即彈性支撐區(qū)域；7 m煤柱的彈性支撐區(qū)域大于1 m；破壞區(qū)域與5 m條件下類似，但煤柱的非變形破壞區(qū)域的連貫性比5 m時要好，這與理論計算中穩(wěn)定的煤柱寬度＞5.4 m相一致。

（2）垂直方向不同煤柱寬度的應力云圖

圖5 煤柱為5 m時垂直應力云圖

圖6 煤柱為7 m時垂直應力云圖

在不同煤柱寬度條件下，沿空護巷煤柱應力較高，5 m時為20.9 MPa，7 m時為21.64 MPa。由理論計算過程中可知，在采空區(qū)邊界處一定范圍存在一個應力降低區(qū)，經計算，其分布范圍大概在2.6 m，穩(wěn)定的煤柱寬度大于5.4 m，煤柱寬度越大，必然導致部分煤體處于應力增高區(qū)，且在一定范圍內煤柱越寬部分煤體所受應力越大。

5 煤柱寬度穩(wěn)定性的相似模擬實驗

鑒于地下采動過程中，初始條件及邊界條件的復雜性，數學分析方法只能得到穩(wěn)定的煤柱寬度的一個運動平衡方程，因此，實驗室的相似模擬研究成為較為客觀再現煤柱穩(wěn)定性的簡潔的方法。建立殘采煤柱工作面模型，幾何相似比為1：100。相似模擬實驗煤柱 破壞情況如下列圖中所示。

圖7 相似模擬實驗煤柱模型

圖8 煤柱寬度為5 m的破壞情況

圖9 煤柱寬度為7 m的破壞情況

試驗中，以時間作為煤柱穩(wěn)定性分析的衡量標準。試驗數據如下表所示：

表1 煤柱各階段破壞時間

從對相似模擬模型開始進行實驗至實驗結束的過程中，對煤柱出現的每一種破壞情況進行時間測量，從表1中可以得出，煤柱寬度越大，出現破壞的時間點越長，表明煤柱越穩(wěn)定，但不利于提高資源回收率，煤柱寬度并非越寬越好。

另外，實驗中可以看出煤柱的破壞形態(tài)。在上覆巖層的壓力作用下，煤柱發(fā)生兩種破壞情況，剪切破壞和張裂破壞。剪切破壞主要發(fā)生于煤柱寬度為5 m的情況，而張裂破壞主要發(fā)生在煤柱寬度在7 m的情況。由上述可知煤柱穩(wěn)定的寬度在5.4 m，煤柱留設的寬度小于這個值時，煤柱的塑性區(qū)占煤柱寬度的比重過大，在塑性區(qū)域的發(fā)生的弱面結構的抗剪強度小于所承受的剪力作用時，煤柱發(fā)生剪切破壞。煤柱的寬度為7 m時，煤柱表面區(qū)域發(fā)生塑性變形破壞，但內部還存在一個較為完整的彈性支撐區(qū)域。隨著試驗的進行，試驗中將煤柱的厚度逐漸減小，在上覆巖層重力的作用下，煤柱的變形破壞區(qū)域逐漸向煤柱內部擴展，直至煤柱張裂破壞?？梢?，當煤柱的寬度在7 m時，煤柱的承載能力較強。

6 結束語

（1）在采空區(qū)邊緣存在應力降低區(qū)、應力升高區(qū)及原巖應力區(qū)三個區(qū)域，殘煤煤柱工作面條件下沿空掘巷煤柱應布置在應力降低區(qū)，穩(wěn)定的煤柱寬度為B=5.41 m。

（2）煤柱寬度在5 m和7 m的情況下，煤柱變形破壞區(qū)域類似，但7 m煤柱寬度下的煤柱彈性支撐區(qū)域的連貫性比煤柱寬度5 m時的要好。煤柱寬度越大，出現破壞的時間點越長，穩(wěn)定性越好。