上覆遺留煤柱下孤島工作面小煤柱寬度研究

李 迎，趙麗娟

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同 037009）

在“雙碳”目標(biāo)下，煤炭依舊在我國(guó)能源安全中起到兜底保障的作用[1]。沿空掘巷小煤柱開(kāi)采作為我國(guó)煤礦采煤方法的重大改革技術(shù)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)許多煤礦中得到應(yīng)用。而沿空掘巷小煤柱的留設(shè)寬度受地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響較大[2]，所以還需要考慮上覆煤層遺留煤柱對(duì)所處煤層工作面沿空掘巷的影響。

同忻礦8102 工作面巷道以往留設(shè)的是寬煤柱，可以有效隔離上區(qū)段采空區(qū)的水、火、瓦斯等有害物質(zhì)進(jìn)入下區(qū)段工作面[3]，但遺留寬煤柱會(huì)使煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重，巷道圍巖的變形量增大[4]，與煤炭的安全高效開(kāi)采目標(biāo)不相符。故結(jié)合同忻礦8102 孤島工作面的具體地質(zhì)條件，通過(guò)理論計(jì)算與Flac3D數(shù)值模擬確定合理的小煤柱留設(shè)寬度，并分析上覆煤層遺留煤柱對(duì)8102 孤島工作面的應(yīng)力影響規(guī)律。

1 工程概況

同忻礦8102 工作面對(duì)應(yīng)地表位于紫金溝、狼兒溝以北山溝及山梁一帶。礦井地處3～5#煤層北部一盤區(qū)，東部為實(shí)體煤，北部為8103 采空區(qū)，西部為三條盤區(qū)大巷，南部為8101 采空區(qū)。由于8101、8103 工作面已回采完畢，所以形成了孤島工作面的形式。與侏羅紀(jì)14#煤層間距約為180 m，距地表距離為396～501 m。8102工作面長(zhǎng)度為240.25 m，2102 巷道長(zhǎng)度為1 822.66 m，5102 巷道長(zhǎng)度為1 831.05 m。8102 工作面所采煤層的平均厚度為16.7 m，煤容重1.43 t/m3，煤層傾角0°～4°，平均為1°。工作面位置示意圖如圖1；工作面綜合柱狀圖如圖2。

圖1 工作面位置示意圖

圖2 工作面綜合柱狀圖

2 小煤柱合理寬度理論分析及計(jì)算

2.1 沿空掘巷弧形三角塊體的結(jié)構(gòu)模型

在工作面回采結(jié)束后，頂板會(huì)相繼發(fā)生垮落，形成三角滑移塊體。由于三角塊體的破斷運(yùn)動(dòng)，垮落巖層的一部分載荷會(huì)轉(zhuǎn)移到采空區(qū)，使得垮落后巖層穩(wěn)定時(shí)的側(cè)向支撐壓力峰值降低，在受到側(cè)向支撐壓力的影響后，塑性區(qū)的范圍有所增大，巖層垮落形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后的側(cè)向支撐壓力的分布范圍相比于形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)之前較大，側(cè)向支撐壓力峰值降低。三角形滑移區(qū)的力學(xué)模型如圖3。

圖3 三角形滑移區(qū)的力學(xué)模型

巖層垮落形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，三角塊體會(huì)向采空區(qū)滑移，各巖層以移動(dòng)邊界線為鉸接點(diǎn)向采空區(qū)回轉(zhuǎn)。三角塊體與采空區(qū)的斷裂巖層接觸后，采空區(qū)的斷裂巖層對(duì)三角塊體有支撐力F3和摩擦力F4，采空區(qū)冒落的矸石對(duì)破斷巖層有支撐力F2；懸臂梁破斷后，下方的巖層對(duì)其有支撐力F1。

2.2 理論計(jì)算

8102 孤島工作面沿空掘巷以往留設(shè)的是寬煤柱，不僅會(huì)造成資源回收率低，還會(huì)使巷道圍巖應(yīng)力集中，巷道圍巖變形量大，區(qū)段煤柱發(fā)生失穩(wěn)破裂，巷道維護(hù)困難。如果留設(shè)煤柱寬度過(guò)窄，會(huì)導(dǎo)致煤柱破裂嚴(yán)重，巷道圍巖穩(wěn)定性差，錨桿固力不足，起不到支護(hù)巷道的作用，工作面回采生產(chǎn)困難。

通過(guò)理論計(jì)算得到合理的小煤柱寬度，能夠使巷道圍巖變形量變小，避免礦井災(zāi)害的發(fā)生，使得上區(qū)段采空區(qū)的水、火、瓦斯涌入下區(qū)段工作面的現(xiàn)象得到有效防治，提高資源回收率和經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)極限平衡理論[6]，有：

式中：X0為塑性區(qū)寬度，m；h為煤層的平均厚度，m；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為巖層平均容重，N/m3；px為對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，kN；A為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/(1-μ)，μ為泊松比；φ0為內(nèi)摩擦角；c0為內(nèi)聚力；H為煤層埋深，m；B為窄煤柱寬度，m；X1為相鄰工作面回采后形成的采空區(qū)在頂板以及圍巖壓力共同作用下的塑性區(qū)變形寬度，也就是極限平衡區(qū)寬度，m；X3為錨桿長(zhǎng)度，m；X2為補(bǔ)充煤柱寬度，一般為（X1+X3）×（15%～35%），m。

窄煤柱寬度的計(jì)算模型示意圖如圖4。

圖4 窄煤柱寬度的計(jì)算模型示意圖

對(duì)同忻礦8102工作面來(lái)說(shuō)，已知：h＝16.7 m，K＝3，γ＝1.43 t/m3，px＝1.1 MPa，μ＝0.47，A＝0.91，φ＝28°，c0＝1.8 MPa，H＝464.35 m。從而由式(1)、(2)求得：X1＝2.0 m，X3＝2.8 m，X2＝0.72～1.68 m。最終得出B＝5.52～6.48 m。

3 數(shù)值模擬及分析

Flac3D對(duì)于解決巖土工程和采礦工程具有很強(qiáng)的專業(yè)性和針對(duì)性，在采動(dòng)支撐壓力作用下巷道圍巖的變形具有良好的處理能力，所以使用Flac3D建立數(shù)值模型[7]。模型尺寸1 000 m×150 m，共劃分14 000 個(gè)網(wǎng)格單元，如圖5。在8102 工作面對(duì)應(yīng)3～5#煤層中間位置布置測(cè)線，監(jiān)測(cè)從8101工作面采空區(qū)左側(cè)邊緣至8103 工作面右側(cè)邊緣的應(yīng)力分布情況。數(shù)值模型建立完成后，對(duì)各巖層進(jìn)行力學(xué)參數(shù)賦值，見(jiàn)表1。通過(guò)計(jì)算可得應(yīng)力曲線分布如圖6。

圖5 數(shù)值模型

表1 各巖層力學(xué)參數(shù)

圖6 可以看出，在距離8103 工作面邊緣30 m 位置出現(xiàn)應(yīng)力峰值（15.87 MPa），在采空區(qū)邊緣位置應(yīng)力出現(xiàn)最小值，在8102 工作面中間位置應(yīng)力接近于原巖應(yīng)力值。其中，應(yīng)力降低區(qū)為距離采空區(qū)邊緣14 m范圍內(nèi)。

王姐拍拍我肩頭，坐到我身旁說(shuō)：妹夫，聽(tīng)姐一句話，老妹在這件事上想的沒(méi)毛病，換我也會(huì)這樣想。換你也一樣。這事就應(yīng)該和你兄弟姐妹打招呼。她不打招呼，你王姐這都說(shuō)不過(guò)去。

圖6 8102工作面垂直應(yīng)力分布曲線

通過(guò)理論計(jì)算以及數(shù)值模擬，考慮到以最安全的應(yīng)力降低區(qū)范圍來(lái)設(shè)計(jì)巷道位置，取理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果中的最小值，即應(yīng)力降低區(qū)范圍為14 m。由于8102 工作面兩順槽的巷道最大寬度為5.5 m，所以區(qū)段煤柱留設(shè)寬度應(yīng)小于8.5 m。為確保8102 工作面的回采巷道處于應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)，同時(shí)提高資源回收率，設(shè)計(jì)選用留設(shè)6 m 小煤柱的方案就能夠充分滿足8102 工作面的生產(chǎn)需求，確保工作面的安全可靠回采。

4 遺留煤柱對(duì)8102工作面的影響

由于在14#煤層中存在采空區(qū)，在盤區(qū)巷附近遺留有保護(hù)煤柱，同時(shí)采空區(qū)之間也有許多區(qū)段煤柱的存在。上煤層中的集中保護(hù)煤柱以及區(qū)段煤柱往往會(huì)產(chǎn)生集中應(yīng)力并且向下傳遞，會(huì)對(duì)下覆煤層開(kāi)采的應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生影響[8]，導(dǎo)致出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)等問(wèn)題。為了準(zhǔn)確了解上覆14#煤層遺留煤柱是否會(huì)對(duì)8102工作面的回采及應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生影響，對(duì)圖7所示的位置進(jìn)行模擬。

圖7 模擬位置示意圖

4.1 模擬方案

根據(jù)同忻礦的地質(zhì)條件，建立模型如圖8。模型共劃分14 400個(gè)單元，尺寸400 m×350 m，在模型底部固定豎向位移，兩邊固定橫向位移。模型中加入分界面以模擬采空區(qū)垮落后頂板與底板的接觸情況。在頂部施加2.5 MPa的垂直應(yīng)力以模擬上覆巖層自重，根據(jù)同忻礦8102工作面相應(yīng)的巖層參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行賦參。

圖8 模型示意圖

4.1.1 I-I剖面模擬方案

14#煤層中所存在的盤區(qū)巷保護(hù)煤柱在I-I 剖面方向上平均寬度為120 m。在模型對(duì)應(yīng)14#煤層的位置分別對(duì)盤區(qū)北翼的工作面以及盤區(qū)南翼的工作面進(jìn)行開(kāi)采。計(jì)算平衡后記錄3～5#煤層中的應(yīng)力分布曲線。模擬方案及測(cè)線布置如圖9。

圖9 I-I剖面模擬方案及測(cè)線布置

4.1.2 II-II剖面模擬方案

14#煤層中8205 工作面傾向長(zhǎng)度為90 m，8207工作面傾向長(zhǎng)度為95 m，中間留設(shè)18 m 的煤柱。在模型對(duì)應(yīng)14#煤層的位置分別對(duì)8205 工作面以及8207 工作面進(jìn)行開(kāi)采。計(jì)算平衡后記錄3～5#煤層中的應(yīng)力分布曲線。模擬方案及測(cè)線布置如圖10。

圖10 II-II剖面模擬方案及測(cè)線布置示意圖

4.2 模擬結(jié)果分析

4.2.1 I-I剖面模擬結(jié)果

模型達(dá)到平衡后的垂直應(yīng)力及垂直位移云圖如圖11。

圖11 I-I剖面云圖

圖11 可以看出，上層盤區(qū)巷道附近所遺留的保護(hù)煤柱在兩側(cè)采空的情況下產(chǎn)生了集中應(yīng)力并以一定的角度向下傳遞。由于煤柱寬度達(dá)到了120 m 左右，所以對(duì)3～5#煤層的應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生了一定影響。

圖12 可以看出，由于上層所遺留的盤區(qū)保護(hù)煤柱產(chǎn)生的應(yīng)力集中影響，3～5#煤層中所對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力峰值位置位于3～5#煤層對(duì)應(yīng)上層盤區(qū)保護(hù)煤柱中部，大小為10.54 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.1。應(yīng)力升高影響范圍為3～5#煤層對(duì)應(yīng)上層遺留煤柱中部位置附近140 m。所以，在后續(xù)的支護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)相應(yīng)應(yīng)力增高區(qū)域范圍進(jìn)行劃分，并設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù)措施。

圖12 3～5#煤層應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線

4.2.2 II-II剖面模擬結(jié)果

模型達(dá)到平衡后的垂直應(yīng)力及垂直位移云圖如圖13?？梢钥闯?，由于14#煤層與3～5#煤層的層間距較大，且采空區(qū)底部處于應(yīng)力降低區(qū)，14#煤層遺留煤柱所產(chǎn)生的集中應(yīng)力在向下傳遞80 m 左右時(shí)就已經(jīng)開(kāi)始低于原巖應(yīng)力水平，不再產(chǎn)生集中應(yīng)力影響。3～5#煤柱中部位置垂直應(yīng)力反而在上覆采空區(qū)的應(yīng)力降低影響下較兩邊有所下降。

圖13 II-II剖面云圖

圖14 可以看出，在模型兩側(cè)3～5#煤層的應(yīng)力值接近于原巖應(yīng)力值，而在中部位置垂直應(yīng)力有所降低，但總體的應(yīng)力比較平緩，其最大值與最小值只差僅在1 MPa 左右，并且垂直應(yīng)力在上層采空區(qū)的作用下有所減小。因此，有理由認(rèn)為，由于14#煤層與3～5#煤層之間的層間距較大，14#煤層中存在的遺留區(qū)段煤柱不會(huì)對(duì)3～5#煤層的開(kāi)采產(chǎn)生較大影響。

圖14 3～5#煤層垂直應(yīng)力分布曲線

5 結(jié)論

（1）根據(jù)沿空掘巷弧形三角塊體理論和極限平衡理論，綜合同忻礦8102 工作面工程與地質(zhì)條件，得到8102 工作面小煤柱留設(shè)寬度范圍為5.52～6.48 m。

（2）Flac3D數(shù)值模擬揭示了8102 工作面應(yīng)力降低區(qū)為距離采空區(qū)邊緣14 m 范圍內(nèi)，結(jié)合5102 巷道寬度確定了小煤柱留設(shè)寬度為6 m。

（3）Flac3D數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)上覆14#煤層所遺留盤區(qū)保護(hù)煤柱在8102 工作面對(duì)應(yīng)位置產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在后期應(yīng)對(duì)應(yīng)力升高區(qū)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；上覆14#煤層所遺留區(qū)段煤柱由于和8102 工作面層間距較大，所以不會(huì)對(duì)8102工作面的安全開(kāi)采造成影響。