深埋厚煤層區(qū)段煤柱留設(shè)穩(wěn)定性研究

馬菲菲 邢 永

（棗莊大興礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277319）

采用長壁工作面回收煤炭資源時(shí)，相鄰工作面間的煤柱寬度以往多在20 m左右，造成資源的浪費(fèi)。在不影響安全生產(chǎn)的條件下，如何減少煤柱留設(shè)的寬度，一直是研究的熱門話題。張震等[1]采用CT系統(tǒng)，建立了電磁波衰減與裂隙發(fā)育、應(yīng)力集中系數(shù)的關(guān)系；張后全等[2]對超前區(qū)段煤柱錨桿軸力實(shí)測，認(rèn)為錨桿軸力的峰值對應(yīng)著區(qū)段煤柱破碎區(qū)；梁冰等[3]采用損傷變量模型，建立了煤柱尺寸與損傷變量的對應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為煤柱的寬高比影響煤柱穩(wěn)定性，兩者正相關(guān)；涂敏等[4]建立了煤柱塑性區(qū)理論公式，分析了采深、煤柱高度、工作面長度等參數(shù)對煤柱寬度的影響，據(jù)此設(shè)計(jì)了區(qū)段煤柱的控制方案；王志強(qiáng)等[5]認(rèn)為煤柱的穩(wěn)定性與所處應(yīng)力環(huán)境有關(guān)，采用彈性地基理論得到了煤柱內(nèi)部任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)以及煤柱穩(wěn)定性的主要影響因素為應(yīng)力集中系數(shù)、煤柱高度及寬度；張宇等[6]研究了淺埋煤層煤柱留設(shè)穩(wěn)定性問題，認(rèn)為煤柱留設(shè)需要在10 m 以上。上述研究對于區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的影響因素以及淺埋煤層的煤柱留設(shè)進(jìn)行了大量的理論分析，然而對于深部礦井區(qū)段煤柱的具體寬度，仍需要結(jié)合工程情況做進(jìn)一步的研究。

大興煤礦資源日漸枯竭，為了增加礦井的服務(wù)年限，亟需研究減少煤柱留設(shè)寬度。本文針對301工作面與303 工作面之間的區(qū)段煤柱，采用理論公式計(jì)算區(qū)段煤柱的彈性核區(qū)數(shù)值，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場鉆孔觀測進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

1 工作面概況

301 工作面位于3 號(hào)煤層，采高4.4 m，面長120 m，回采巷道寬度為5 m，高度為3 m，頂?shù)装鍨樯皫r，巖性較差。301 工作面的接替工作面為303 工作面，在回采301 工作面時(shí)掘進(jìn)303 工作面的運(yùn)輸巷，如圖1 所示。原先該采區(qū)相鄰工作面區(qū)段煤柱寬度為20 m，為提高資源回收率，重新進(jìn)行區(qū)段煤柱留設(shè)寬度的設(shè)計(jì)，分別按照10 m、9 m、8 m、7 m、6 m、5 m 的煤柱寬度進(jìn)行理論計(jì)算，分析在一次采動(dòng)（回采）和二次采動(dòng)（巷道掘進(jìn)）的影響下，煤柱是否能保持穩(wěn)定性。

圖1 工作面布置示意

2 區(qū)段煤柱留設(shè)寬度設(shè)計(jì)及理論驗(yàn)證

區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性影響因素主要有煤柱的寬度、埋深、煤體自身強(qiáng)度等。進(jìn)行區(qū)段煤柱設(shè)計(jì)時(shí)，埋深和煤體自身強(qiáng)度無法后期改變，煤柱寬度是最主要的影響因素。回采時(shí)區(qū)段護(hù)巷煤柱的合理寬度為：

式中：Le為彈性區(qū)寬度；Lp為塑性區(qū)寬度；X0為采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度；R0為巷道側(cè)塑性區(qū)寬度。

采用中主應(yīng)力影響的SMP 準(zhǔn)則，可得采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度與巷道側(cè)塑性區(qū)寬度：

所以煤柱塑性區(qū)寬度Lp=X0+R0為：

結(jié)合大興煤礦實(shí)際地質(zhì)條件，m=4.5 m，H=700 m，φ=36.5 °，c=0.93 MPa，σ0=1.26 MPa，f1=0.13，c1=1.5 MPa，Pa=0，P=0.36 MPa，K1=4，矩形巷道高3 m，寬5 m。代入公式中計(jì)算，可以得到301 工作面不同煤柱寬度下彈性核區(qū)的大小，具體數(shù)值見表1。

表1 不同寬度區(qū)段煤柱的彈性核區(qū)

3 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬驗(yàn)證

3.1 數(shù)值模型建立

采用FLAC3D對不同煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行模擬，研究其煤柱塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律。模型長寬高分別為130 m、130 m、60 m，左右各留50 m 的邊界煤柱，巷道尺寸為5.0 m×3.0 m。模型四周限制X、Y 方向的位移，底部固支，頂板加載17.5 MPa 的等效荷載。采用摩爾-庫倫模型，模型如圖2，覆巖參數(shù)見表2。設(shè)計(jì)模擬區(qū)段煤柱寬度分別為10 m、9 m、8 m、7 m、6 m、5 m 時(shí)，受采動(dòng)（301 工作面回采）和掘進(jìn)巷道（303 運(yùn)輸巷掘進(jìn)）影響下，在工作面推進(jìn)120 m，即工作面初次見方的位置，取超前工作面10 m，采動(dòng)影響最大處的區(qū)段煤柱的塑性區(qū)發(fā)育云圖。

圖2 數(shù)值模擬初始模型（m）

表2 地層參數(shù)

3.2 模型結(jié)果分析

圖3 依次是不同留設(shè)煤柱寬度下周邊塑性區(qū)發(fā)育情況，塑性區(qū)沿區(qū)段巷道周邊發(fā)育，有對稱分布特征，頂板和兩幫以拉、剪破壞為主。隨著煤柱寬度的增加，塑性區(qū)發(fā)育程度減弱。在5 m 的區(qū)段煤柱寬度條件下，塑性區(qū)非常發(fā)育，貫穿整個(gè)煤柱，無彈性核區(qū)；在6 m 的區(qū)段煤柱寬度條件下，有1 m 寬的彈性核區(qū)；在7 m 的區(qū)段煤柱寬度條件下，有3 m 寬的彈性核區(qū)；在8 m 區(qū)段煤柱寬度條件下，有4 m 寬的彈性核區(qū)；在9 m 的區(qū)段煤柱寬度條件下，有5 m 寬的彈性核區(qū)；在10 m 的區(qū)段煤柱寬度條件下，有7 m 寬的彈性核區(qū)。結(jié)合第二章的理論分析結(jié)果，可以認(rèn)為當(dāng)區(qū)段煤柱寬度在7.0 m 以上時(shí)，煤柱有著較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)安全回采。

圖3 303 工作面區(qū)段煤柱不同留設(shè)寬度塑性區(qū)發(fā)育情況

4 工程觀測結(jié)果

為了更加直觀地觀測出303 運(yùn)輸巷區(qū)段煤柱穩(wěn)定性，鉆孔觀測內(nèi)部裂隙發(fā)育情況。在運(yùn)輸巷道的幫部距底板1.5 m 的位置處，垂直巷幫向301 工作面?zhèn)茹@孔，放入鉆孔窺視儀。觀測結(jié)果如圖4。

圖4 區(qū)段煤柱裂隙發(fā)育情況

從圖4 看出，在留設(shè)7 m 煤柱寬度條件下，向煤柱內(nèi)部打孔，1 m 深時(shí)鉆孔破碎，2 m 深時(shí)鉆孔完整度提高，孔壁上只有一些橫向裂隙，3.5 m 深時(shí)到達(dá)彈性核區(qū)，鉆孔完整，5 m 深和6 m 深時(shí)接近工作面，鉆孔完整程度又降低。因此，可以判斷在留設(shè)7 m 煤柱寬度條件下，煤柱有足夠的彈性核區(qū)，可以保證工作面開采期間的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

（1）采用中主應(yīng)力影響的SMP 準(zhǔn)則可以計(jì)算得到受采動(dòng)影響及相鄰巷道掘進(jìn)影響下的區(qū)段煤柱彈性核區(qū)大小。

（2）數(shù)值模擬顯示區(qū)段煤柱塑性區(qū)沿四周發(fā)育，有對稱分布特征，頂板和兩幫以拉、剪破壞為主，彈性核區(qū)大小隨煤柱留設(shè)寬度增加而增加。

（3）在留設(shè)7 m 煤柱寬度條件下，煤柱有足夠的彈性核區(qū)，可保證工作面開采期間的穩(wěn)定性。