馬堡煤業(yè)高應(yīng)力環(huán)境小煤柱合理留設(shè)寬度研究

岳鵬飛，張正岡，閆循強(qiáng)

（1.山西馬堡煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046300；2.山西三元福達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046300；3.中煤科工集團(tuán) 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；4.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

0 引 言

煤柱留設(shè)是煤礦開采中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[1]，關(guān)系到開采空間穩(wěn)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3 類[2-3]：礦井保護(hù)煤柱、采區(qū)煤柱及工作面煤柱。合理的煤柱尺寸應(yīng)達(dá)到2 個(gè)目的[4-6]，一是要保證煤柱保護(hù)巷道圍巖的穩(wěn)定性，使巷道在服務(wù)期間能夠滿足生產(chǎn)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(yè)15 號(hào)煤層采用大采高綜采一次采全高采煤法，區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸均為20 m 左右，浪費(fèi)了大量煤炭資源，小煤柱沿空掘巷能有效回收煤柱資源，在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展。我國(guó)普遍應(yīng)用的是留3~6 m 小煤柱沿空掘巷，能有效解決巷道漏風(fēng)問題，防止采空區(qū)矸石滾落巷道內(nèi)，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

1 概 況

馬堡煤業(yè)15202 工作面北東側(cè)與152 采區(qū)膠帶、軌道、回風(fēng)下山相連接；南東側(cè)為設(shè)計(jì)的15202 工作面實(shí)體煤；北西側(cè)為152 采區(qū)實(shí)煤體；南西側(cè)為實(shí)體煤。工作面位置如圖1 所示。15202運(yùn)輸順槽煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層厚度4.75～5.04 m，平均4.9 m，頂?shù)装鍡l件見表1。15202 運(yùn)輸順槽整體為一單斜構(gòu)造，巷道掘進(jìn)方向地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較為簡(jiǎn)單，無大型斷層構(gòu)造發(fā)育。2019 年在152 采區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為16.32 MPa，表明15號(hào)煤應(yīng)力水平較高，根據(jù)15205 工作面回采期間回風(fēng)順槽應(yīng)力及圍巖移動(dòng)變形觀測(cè)結(jié)果，巷道兩幫最大移近量達(dá)2 m，并有斷錨現(xiàn)象，表明巷道處于高應(yīng)力環(huán)境中。

圖1 15202 工作面巷道布置平面Fig.1 Roadway layout of No.15202 Face

表1 煤層頂板情況Table 1 Coal seam roof condition

2 地質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)

2.1 頂板結(jié)構(gòu)鉆孔窺視實(shí)驗(yàn)

在15202 運(yùn)輸順槽進(jìn)行頂板結(jié)構(gòu)鉆孔窺視，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果，處于0～10 m 的粉砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖巖性裂隙較發(fā)育，工作面回采過后易自然垮落，由于受限于窺視儀電纜長(zhǎng)度，10 m 以上頂板未取得窺視數(shù)據(jù)。

表2 15202 運(yùn)輸順槽頂板窺視匯總Table 2 Roof peep summary of 15202 transport roadway

2.2 煤巖物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)

2021 年3 月在馬堡煤業(yè)15202 聯(lián)絡(luò)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，而后開展了實(shí)驗(yàn)室物理力學(xué)測(cè)試工作。頂板巖層取芯及試樣如圖2 所示。

圖2 頂板巖層取芯及試樣Fig.2 Core extraction and sample of roof strata

由試驗(yàn)結(jié)果可知，煤層單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度24.15 ~ 49.14 MPa，平均41.09 MPa，煤層上方16 ~ 20 m 層位K2石灰?guī)r抗壓強(qiáng)度平均達(dá)71.88 MPa，屬堅(jiān)硬巖層。由此可知，15 號(hào)煤層強(qiáng)度較高，硬度在1.5 左右，頂?shù)装鍡l件較好，K2石灰?guī)r硬度，完整性較好，在采空區(qū)側(cè)向可能形成較大范圍懸臂結(jié)構(gòu)，對(duì)小煤柱留設(shè)影響較大。

3 小煤柱合理寬度確定

3.1 理論計(jì)算

煤柱內(nèi)部塑性破壞區(qū)域尺寸是合理留設(shè)煤柱寬度的關(guān)鍵[7-8]。將煤體視為均質(zhì)連續(xù)體，基于莫爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則和彈性力學(xué)的有關(guān)知識(shí)能夠求得極限平衡區(qū)的寬度為：

式中：m為煤柱高度，取4 m；Px為錨桿對(duì)煤柱的側(cè)向阻力，取10 MPa；λ 為塑性區(qū)邊界面的側(cè)壓系數(shù)，取1.5；σx、σy分別為沿x 軸和y 軸方向上的應(yīng)力，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，水平應(yīng)力取16 MPa，垂直應(yīng)力取12 MPa；K為塑性區(qū)邊界面應(yīng)力集中系數(shù)，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(nèi)摩擦角，取25°。

將各值帶入公式（1） 得出，馬堡煤業(yè)小煤柱留設(shè)范圍內(nèi)煤柱的極限平衡區(qū)的寬度為X1=1.93 m。

為避免固定和殘余支承壓力對(duì)巷道的影響，故運(yùn)用錨桿（索） 對(duì)護(hù)巷煤柱進(jìn)行支護(hù)，在高圍巖應(yīng)力的作用下，可能會(huì)使得錨桿（索） 錨固范圍處于煤柱的塑性破壞區(qū)內(nèi)，致使錨固效果差，故錨桿長(zhǎng)度X2也是煤柱合理寬度所要考慮的因素，錨桿長(zhǎng)度取2.4 m；此外，考慮到影響煤柱穩(wěn)定的其他未知因素，因此對(duì)煤柱添加一個(gè)安全系數(shù)X3，以避免不定因素對(duì)煤柱的影響。綜上所述，沿空巷道護(hù)巷煤柱合理的寬度表達(dá)式為：

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

3.2 數(shù)值模擬

采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件對(duì)馬堡小煤柱合理留設(shè)寬度進(jìn)行分析，分別模擬煤柱寬度4、5、6、7、8 m 五種條件下煤柱及巷道圍巖塑性區(qū)變化及應(yīng)力環(huán)境，模擬結(jié)果如圖3～圖5 所示。

由數(shù)值模擬結(jié)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(qū)范圍內(nèi)，巷道圍巖塑性區(qū)破壞范圍逐漸降低，表明4~8 m 小煤柱均處在塑性變形區(qū)，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(yīng)力環(huán)境可以看出，巷道上幫以垂直應(yīng)力為主，在上幫的下部幫角位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中程度隨著煤柱寬度的增加逐步增大，當(dāng)煤柱寬度由4 m 增加到8 m 時(shí)，垂直應(yīng)力峰值由7.2 MPa 增長(zhǎng)至16.7 MPa；底板以水平應(yīng)力為主，直接底主要呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，煤柱寬度7 m 時(shí)底板水平應(yīng)力達(dá)到17.9 MPa 峰值，在煤柱寬度8 m 時(shí)水平應(yīng)力最低，為10.7 MPa，其余寬度煤柱時(shí)，水平應(yīng)力在14 MPa 左右。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出，小煤柱巷道上幫存在垂直應(yīng)力峰值區(qū)，主要位于下幫角處，隨著煤柱寬度的增加，應(yīng)力峰值逐漸增大；底板主要受水平壓應(yīng)力影響，應(yīng)力峰值基本在14 MPa 以上，且影響范圍較大，當(dāng)煤柱寬度為6 m 時(shí)，垂直應(yīng)力峰值水平較低，上幫影響程度較低，底板最大水平應(yīng)力影響范圍較小。結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，最終確定馬堡煤業(yè)15 號(hào)煤層15202 工作面小煤柱合理留設(shè)寬度為6 m。

圖3 不同尺寸煤柱圍巖塑性區(qū)分布Fig.3 Plastic zone distribution of surrounding rock with different coal pillars sizes

圖4 不同尺寸煤柱圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.4 Vertical stress distribution of surrounding rock with different coal pillars sizes

圖5 不同尺寸煤柱圍巖水平應(yīng)力分布Fig.5 Horizontal stress distribution of surrounding rock with different coal pillars sizes

4 結(jié) 論

（1） 綜合分析對(duì)比15202 運(yùn)輸順槽鉆孔窺視結(jié)果可知，孔口0～4 m 巖層破碎，完整性差；4～9 m 屬基本頂細(xì)砂巖層位，裂隙發(fā)育逐漸減少，圍巖完整性較好。由煤巖物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可知，直接頂抗壓強(qiáng)度平均40.19 MPa，K2石灰?guī)r頂板堅(jiān)硬，平均抗壓強(qiáng)度達(dá)71.88 MPa，為理論分析及數(shù)值模擬提供重要參數(shù)。

（2） 采用數(shù)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(yīng)力環(huán)境，由計(jì)算結(jié)果可知，小煤柱巷道上幫存在垂直應(yīng)力峰值區(qū)，主要位于下幫角處，隨著煤柱寬度的增加，應(yīng)力峰值逐漸增大；底板主要受水平壓應(yīng)力影響，應(yīng)力峰值基本在14 MPa 以上，且影響范圍較大，當(dāng)煤柱寬度為6 m 時(shí)，垂直應(yīng)力峰值水平較低，上幫影響程度較低，底板最大水平應(yīng)力影響范圍較小。結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，最終確定馬堡煤業(yè)15 號(hào)煤層15202 工作面小煤柱合理留設(shè)寬度為6 m。