近距離煤層采空區(qū)下區(qū)段煤柱尺寸優(yōu)化設(shè)計

王貴平

（1.冀中能源邯礦集團(tuán) 礦山管理分公司，河北 邯鄲 056105；2.山西通洲集團(tuán) 安神煤業(yè)，山西 長治 046500）

唐山溝礦生產(chǎn)規(guī)模為1.2 Mt/a，主采區(qū)段保護(hù)煤層為12 號煤層，平均厚度1.8 m 左右，12 號煤層現(xiàn)有區(qū)段保護(hù)煤柱的寬度為20 m，其上方保護(hù)區(qū)段為11-2 煤層采空區(qū)，層間距10 m 左右，面臨著近距離煤層采空區(qū)下回采的問題，出于對礦井安全生產(chǎn)的考慮，12 號煤層現(xiàn)有區(qū)段保護(hù)煤柱寬度應(yīng)設(shè)置為20 m，按照工作面平均推進(jìn)長度1 200 m計算，可得一個區(qū)段損失的煤柱煤量約60 480 t，導(dǎo)致了礦井煤炭資源的浪費(fèi)。為提高現(xiàn)有煤炭的回收率，延長礦井的服務(wù)期和管理年限，尋求合理的區(qū)段保護(hù)煤柱寬度及與其相適應(yīng)的支護(hù)方式意義重大。本文綜合現(xiàn)場調(diào)查研究和煤巖物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，確定合理的計算參數(shù)，通過理論分析，綜合研究了采空區(qū)下12 號煤層區(qū)段保護(hù)煤柱的合理尺寸；并通過數(shù)值模擬研究了不同煤柱留設(shè)寬度下的回采巷道圍巖應(yīng)力分布及變形破壞場分布規(guī)律，對采空區(qū)下煤柱尺寸進(jìn)行了優(yōu)化分析，確定煤柱合理尺寸，并在12 煤層試驗(yàn)應(yīng)用，為其他煤層工作面或具有類似條件的其他礦山提供參考。

圖1 8210 工作面布置示意Fig.1 Layout of No.8210 Face

1 概 況

8210 工作面位于12 號煤層的北部，該煤層走向NE，傾向?yàn)镾E，工作面走向長1 406 m，傾角為4°左右；煤層賦存較穩(wěn)定，煤的普氏系數(shù)控制在1.5～2，單一結(jié)構(gòu)，平均厚度為2 m。距上覆11號煤層的層間距平均控制在10.4 m 左右。11 號煤層全區(qū)大部分可采，性質(zhì)穩(wěn)定，煤厚1.63 ~ 6.32 m，平均2.8 m，頂板巖層主要為粉砂類巖層，中間含有薄層煤線、炭質(zhì)泥巖類夾層，層理地質(zhì)構(gòu)造主要呈傾斜水平層理，含有豐富的動植物和煤質(zhì)礦物活化石，底板為多層黑灰色細(xì)礫質(zhì)砂巖。12 號煤層從下往上依次發(fā)育有5 ~20 cm 厚的薄層粉砂巖，該層薄層粉砂巖較為破碎，易掉落，呈灰黑色。薄層粉砂巖之上為厚2 ~5 m 的細(xì)砂巖，該巖層相對較堅硬，單軸抗壓強(qiáng)度47 ~52 MPa，彈性模量5.3~8.1 GPa，顏色以灰色為主。細(xì)砂巖之上為厚度大于4.8 m 的中粗砂巖，巖層堅硬，致密，節(jié)理裂隙不發(fā)育，完整性好，顏色以灰白色為主。12 號煤層單軸強(qiáng)度11.4 ~12.7 MPa，彈性模量2.1~ 2.2 GPa。11 號煤層采用房柱式開采，采10 m煤，留5 m 的煤柱，現(xiàn)有12 號煤層留設(shè)煤柱20 m。

2 煤柱尺寸留設(shè)理論分析

區(qū)段煤柱由于巷道圍巖應(yīng)力重分布作用，在回采巷道側(cè)形成塑性區(qū)，由于采空側(cè)覆巖壓力作用在采空側(cè)煤幫區(qū)形成塑性區(qū)[1-6]，如圖2 所示。

圖2 煤柱彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布Fig.2 Elastic plastic deformation zone and stress distribution of coal pillar

區(qū)段煤柱在回采巷道左側(cè)形成的塑性區(qū)寬度用a表示，在采空區(qū)右側(cè)形成的塑性區(qū)寬度用b表示，區(qū)段煤柱不發(fā)生破壞失穩(wěn)需要滿足以下條件：回采巷道側(cè)和采空側(cè)均發(fā)生塑性變形后，回采側(cè)塑性區(qū)和巷道側(cè)塑性區(qū)之間需要適當(dāng)寬度的彈性核區(qū)，保證煤柱保持穩(wěn)定，要求彈性核區(qū)寬度不小于煤柱高度2 倍。所以，當(dāng)采用小煤柱或窄煤柱掘巷時，由于煤柱寬度大幅度縮小，發(fā)生二者塑性區(qū)重疊，回采側(cè)和巷道側(cè)的塑性區(qū)之間缺少彈性承載區(qū)，區(qū)段煤柱寬度范圍內(nèi)均呈現(xiàn)塑性失穩(wěn)狀態(tài)，導(dǎo)致煤柱承載力急劇下降。所以，區(qū)段煤柱穩(wěn)定的基本條件是煤柱寬度要滿足式（1）。

根據(jù)Mohr－Coulomb 準(zhǔn)則計算得出采空區(qū)側(cè)與巷道側(cè)塑性形區(qū)的計算公式見式（2） 與式（3）。

采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)計算公式：

式中：K 為應(yīng)力增高系數(shù)；Pa 為矸石對煤柱的約束力，MPa；γ 為上覆巖層容重；kN/m3；m 為煤層開采厚度，m；C 為煤體的粘聚力，MPa；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，（°）；f 為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)；ξ 為三軸應(yīng)力系數(shù)，

根據(jù)對礦井煤巖樣的力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，可得φ=35°，C=8.1 MPa，m=2.2 m?；趯μ粕綔系V的前期調(diào)研，取f=0.3，K=3.2，γ=25 kN/m3。不考慮矸石對煤柱的約束，即Pa=0。計算得a=6.35 m。

巷道側(cè)塑性區(qū)計算公式：

式中：β 為矩形巷道塑性區(qū)修正系數(shù)；P0為原巖應(yīng)力，MPa；Pi為巷道支護(hù)阻力，MPa；r0為巷道最大寬度和高度處的外接圓半徑，m；C 為煤體的粘聚力，MPa；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，（°）；

根據(jù)該煤礦的地質(zhì)資料和前期調(diào)研，確定原巖應(yīng)力P0=γH=6.35 MPa；不考慮巷道支護(hù)阻力，取Pi=0。粘聚力和內(nèi)摩擦角參照力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

矩形巷道塑性區(qū)修正系數(shù)β 根據(jù)表1 確定。

表1 矩形巷道塑性區(qū)寬度修正系數(shù)Table 1 Correction coefficient of plastic zone width of rectangular roadway

根據(jù)巷道尺寸確定β=1.6。將各個數(shù)據(jù)代入公式，可得巷道的塑性區(qū)寬度為b=3.48 m。

故煤柱的寬度L=6.35+3.48+2.2×2=14.23 m。

3 近距離煤層下煤柱尺寸優(yōu)化

3.1 數(shù)值模型建立

因?yàn)橄锏雷冃斡幸欢ǖ挠绊懛秶谛碌膹椝苄宰冃卫碚?，選擇了5 倍以外的區(qū)域，用于計算基本模型的變形邊界，計算模型內(nèi)有11 號、12 號煤層8210 工作面、12 號煤層51211 軌道巷，尺寸為100 m×100 m，使用摩爾-庫侖模型。由于此次開挖巷道平均埋深在220 m 左右，于是原巖應(yīng)力q=γh＝2 500 kg/m3×10.0 N/kg×220 m＝5.5 MPa。計算時，將模型的上部邊界設(shè)置為自由邊界，下部邊界x 方向和Y 方向均設(shè)置為固定邊界，不發(fā)生位移。在模型兩側(cè)，設(shè)置為水平方向不能沿X 方向移動，Y 方向可以發(fā)生移動。根據(jù)井下的地質(zhì)情況，運(yùn)用UDEC 大型巖土數(shù)值模擬計算軟件，建立12 號煤層的UDEC 數(shù)值模擬模型，如圖3 所示。采用數(shù)值分析法，分析不同煤柱寬度時巷道圍巖應(yīng)力場及保護(hù)塑性區(qū)段分布特點(diǎn)，得出各區(qū)段煤柱保護(hù)塑性區(qū)煤柱寬度之間存在合理差值，且此時有利于巷道圍巖的控制。

圖3 數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2 不同煤柱寬度時圍巖應(yīng)力分布

當(dāng)工作面回采時，煤層挖除以后，煤層周圍巖體應(yīng)力發(fā)生重新分布，其中兩側(cè)的煤柱區(qū)側(cè)向支撐應(yīng)力集中，當(dāng)煤柱內(nèi)集中應(yīng)力達(dá)到某一極限時，會導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)、破壞，影響礦井安全生產(chǎn)，因此，對不同煤柱寬度條件下，煤柱內(nèi)的應(yīng)力特征進(jìn)行分析研究。

數(shù)值模擬分析不同煤柱寬度圍巖應(yīng)力等值線如圖4 所示。不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布如圖5 所示。

圖4 不同煤柱寬度圍巖應(yīng)力等值線Fig.4 Stress contour map of surrounding rock with different coal pillar width

圖5 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution of coal pillar with different width

隨著煤柱寬度的縮短和減小，煤柱內(nèi)部應(yīng)力的分布逐步增加，寬度由15 m 減小到14 m 時，煤柱內(nèi)應(yīng)力就會出現(xiàn)跳躍性的增高，整個煤柱處于一種更為高強(qiáng)的應(yīng)力狀態(tài)；煤柱幫側(cè)向?qū)挾扔?0 m 縮小到15 m 時，煤柱幫側(cè)向支承壓力增加幅度緩慢，煤柱上的垂直集中應(yīng)力變?。划?dāng)區(qū)段煤柱尺寸縮小到15 m 以下時，煤柱中部的垂直集中應(yīng)力峰值隨著煤柱尺寸變小而逐漸增大，應(yīng)力集中程度也逐漸增大；當(dāng)煤柱寬度為14 m 時，煤柱幫側(cè)向支承壓力值出現(xiàn)跳躍性增加，不利于煤柱側(cè)巷幫穩(wěn)定性的控制。

3.3 不同煤柱寬度時圍巖塑性區(qū)分布

回采巷道煤柱受到上方刀柱式開采和該工作面采動雙重應(yīng)力疊加作用。當(dāng)煤柱的尺寸偏窄時，荷載達(dá)到煤柱的最大極限，會使煤柱出現(xiàn)損傷、失穩(wěn)；當(dāng)煤柱的尺寸偏寬時，安全性提高了，卻造成了煤柱部分的煤炭無法回采，造成了資源丟棄損失。安全狀態(tài)下的煤柱，在不同的應(yīng)力作用后，會分為破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。因?yàn)槊褐膶挾扔泻芏嗖町悾悦褐闹虚g部分都將出現(xiàn)一個大小不同的彈性核，保證煤柱的穩(wěn)定性與承載能力。

圖6 顯示了采空區(qū)下工作面區(qū)段煤柱不同尺寸下的沿空巷道圍巖塑性區(qū)區(qū)域。當(dāng)煤柱尺寸由20 m 逐漸減小到15 m 時，煤柱中部出現(xiàn)的彈性區(qū)域逐步減小，一直到煤柱全部處于塑性狀態(tài)。當(dāng)煤柱尺寸繼續(xù)減小至13 m 時，巷道開挖和工作面回采形成的塑性區(qū)相互貫通，煤柱全部發(fā)生塑性破壞，而實(shí)體煤幫塑性區(qū)破壞寬度在4.0 m 左右，頂板煤體塑性區(qū)最大破壞深度達(dá)6.5 m，底板塑性區(qū)破壞深度在3.0 m 左右，巷道圍巖破壞范圍整體較大，不利于巷道圍巖的控制。當(dāng)煤柱寬度為14 m 時，雖然在煤柱中部也出現(xiàn)了彈性區(qū)，但是彈性區(qū)的范圍較小，區(qū)段煤柱在采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)和回采巷道側(cè)的塑性區(qū)分布范圍發(fā)生了重疊，兩個塑性區(qū)連成一片，不利于巷道圍巖的管理與控制。當(dāng)煤柱寬度大于等于15 m 時，隨著煤柱寬度的增加，煤柱中部出現(xiàn)的彈性區(qū)范圍逐步增大，區(qū)段煤柱在采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)分布和回采巷道側(cè)的塑性區(qū)分布，不再重疊，由相互黏連變?yōu)橹饾u脫離分開，逐步向一個更加有利于巷道圍巖控制的方向轉(zhuǎn)變；同時實(shí)體煤幫的塑性區(qū)破壞寬度降低至2.0 m 左右；頂板塑性區(qū)受到破壞的范圍也呈現(xiàn)出縮小趨勢，頂板塑性區(qū)受到破壞的深度縮小至5.0 m 左右，而底板塑性區(qū)受到破壞的深度則基本上保持恒定。通過分析巷道圍巖塑性區(qū)分布特征，可以知道，當(dāng)煤柱寬度為15 m 左右時，有利于巷道圍巖的控制。

圖6 不同煤柱寬度時圍巖塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zone of surrounding rock with different width of coal pillar

通過分析不同的寬度時煤柱周圍巖層的應(yīng)力場和塑性區(qū)域分布特征，可知當(dāng)煤柱寬度大約為15 m 時，有利于巷道圍巖的控制，提高煤炭資源回收率，達(dá)到巷道圍巖控制穩(wěn)定，促進(jìn)礦井安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

（1） 通過理論研究，分析了12 號煤層區(qū)段保護(hù)煤柱的受力特點(diǎn)及其穩(wěn)定性，得出煤柱內(nèi)彈性核大小為7 m、塑性區(qū)的分布范圍為3～5 m，確定了合理的區(qū)段保護(hù)煤柱寬度的分布區(qū)間為14～18 m。

（2） 通過建立復(fù)雜采動條件下區(qū)段保護(hù)煤柱的力學(xué)模型，形成適合12 號煤層的區(qū)段煤柱強(qiáng)度理論和公式，經(jīng)計算得出區(qū)段保護(hù)煤柱寬度為15 m。

（3） 通過對區(qū)段保護(hù)煤柱參數(shù)及支護(hù)形式進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到提高煤炭資源回收率與礦井安全、高效利用的目的，可為同類煤層的開采提供借鑒。