水巖作用下區(qū)段煤柱合理寬度研究

孔繁龍，劉敬東，田靈濤，張智強(qiáng)，王冬冬，鄭志強(qiáng)，徐強(qiáng)

（1.國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司 察哈素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

我國(guó)西部礦區(qū)具有埋藏淺、煤層厚、地質(zhì)條件簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。為提高工作面開(kāi)采效率，緩解接續(xù)緊張局面，回采巷道多采用雙巷布置方式，雙巷間留設(shè)一定寬度的區(qū)段煤柱，用于維護(hù)回采巷道的穩(wěn)定[1-3]。煤柱寬度過(guò)小則不能有效支撐頂板，在采動(dòng)影響產(chǎn)生的高集中應(yīng)力作用下破壞失穩(wěn)[4-5]；煤柱寬度過(guò)大，不僅造成煤炭資源浪費(fèi)，還有可能引發(fā)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害[6-7]。

近年來(lái)，學(xué)者們針對(duì)區(qū)段煤柱合理寬度設(shè)計(jì)開(kāi)展了大量研究，主要運(yùn)用極限平衡理論計(jì)算煤柱塑性區(qū)寬度，在考慮一定安全系數(shù)的情況下，預(yù)留一定寬度的彈性核區(qū)，將兩者寬度之和作為煤柱合理寬度[8-10]。張念超等[11]在統(tǒng)一強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上，提出了區(qū)段煤柱合理寬度理論計(jì)算方法。王琦等[12]提出了最大臨界尺寸的概念，認(rèn)為區(qū)段煤柱合理寬度應(yīng)小于最大臨界尺寸。姚強(qiáng)嶺等[13]考慮采空區(qū)積水弱化作用，提出了煤礦地下水庫(kù)煤柱壩體塑性區(qū)寬度計(jì)算公式。周光華等[14]針對(duì)特定的近距離傾斜煤層群采掘地質(zhì)條件，研究了煤礦地下水庫(kù)煤柱壩體的合理尺寸及其穩(wěn)定性問(wèn)題。研究表明，區(qū)段煤柱合理寬度的確定不僅受到工作面采動(dòng)的影響[15-16]，而且與區(qū)段煤柱一側(cè)采空區(qū)積水弱化作用有關(guān)[17-19]。采空區(qū)積水與煤巖作用會(huì)弱化區(qū)段煤柱強(qiáng)度而引起煤柱逐漸破壞和失效，水巖作用是區(qū)段煤柱合理寬度設(shè)計(jì)中必須考慮的關(guān)鍵因素。

本文考慮內(nèi)蒙古鄂爾多斯新街礦區(qū)某礦31采區(qū)采空區(qū)積水對(duì)煤體強(qiáng)度的弱化作用，通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲得了煤體強(qiáng)度弱化系數(shù)，分析了水巖作用下區(qū)段煤柱塑性區(qū)寬度特征；利用FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)煤體強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)弱化，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了不同寬度煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究，可為相似工程條件下煤柱寬度設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

新街礦區(qū)某礦31301工作面位于31采區(qū)（主采3?1煤層），為31采區(qū)的首采工作面，走向長(zhǎng)度為2 503.74 m，寬度為300.58 m，面積為752 573 m2。煤層平均厚度為6 m，傾角為1～3°。直接頂為厚5.96 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為厚18.7 m的中粒砂巖，直接底為厚1.23 m的泥巖，基本底為厚9.2 m的砂質(zhì)泥巖。

31采區(qū)煤層底板總體呈東北部高、西南部低的趨勢(shì)。31301采空區(qū)積水高度超過(guò)3 m，部分區(qū)域達(dá)7 m以上，采空區(qū)積水對(duì)3?1煤層始終存在強(qiáng)度弱化作用。目前，根據(jù)礦井的接續(xù)安排，需要在31301采空區(qū)一側(cè)布置33采區(qū)33301工作面，如圖1所示。

圖1 工作面布置Fig.1 Layout of working face

2 水巖作用下煤柱寬度理論分析

2.1 水巖作用下煤體強(qiáng)度弱化系數(shù)

在31采區(qū)同一位置選擇大小適中（300 mm×300 mm×300 mm）、形狀規(guī)則、層理分布均勻且表面無(wú)明顯裂紋的煤塊，將現(xiàn)場(chǎng)選擇的煤塊運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后加工處理成標(biāo)準(zhǔn)試樣，用于單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。3?1煤層試樣在干燥、飽和條件下的抗壓強(qiáng)度分別為18.45，7.89 MPa，彈性模量分別為2.1，1.1 GPa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定煤層飽和條件下強(qiáng)度弱化系數(shù)為0.43，彈性模量弱化系數(shù)為0.52。

圖2 煤樣應(yīng)力?應(yīng)變曲線(xiàn)及破壞形態(tài)Fig.2 Stress-strain curves and failuremodeof coal sample

2.2 水巖作用下煤柱塑性區(qū)理論計(jì)算

區(qū)段煤柱服務(wù)期間，先后經(jīng)歷掘進(jìn)影響、31301工作面一次采動(dòng)影響和33301工作面二次采動(dòng)影響階段，其中，31301工作面回采結(jié)束后，由于側(cè)向頂板破斷，導(dǎo)致煤柱側(cè)產(chǎn)生寬度為x0的塑性破壞區(qū)，在33301工作面回采期間，31301采空區(qū)積水對(duì)煤柱強(qiáng)度進(jìn)一步弱化，產(chǎn)生新的塑性區(qū)（寬度為x1），根據(jù)極限平衡理論，可得[13]

式中：M為煤層開(kāi)采厚度；λ為應(yīng)力系數(shù)，λ=（1+sinφ）/（1?sinφ），φ為內(nèi)摩擦角；f為煤層與頂?shù)装宓哪Σ烈驍?shù)；K1為煤柱積水側(cè)應(yīng)力集中系數(shù)；γ為覆巖容重；H為煤層埋深；p為積水側(cè)靜水壓力；σr為煤體殘余強(qiáng)度；Vm為煤體軟化模量；Sg為塑性區(qū)煤體應(yīng)變梯度；σc為彈性階段煤體的單軸抗壓強(qiáng)度。

由式（1）可知，區(qū)段煤柱積水側(cè)塑性區(qū)寬度隨煤體強(qiáng)度弱化程度的增加而擴(kuò)大。31301工作面具體參 數(shù)：M=6 m，λ=2.5，f=0.56，K1=3，γ=25 kN/m3，H=380 m，p=0.06 MPa，Vm=800 MPa，Sg=0.08，σr=1.81 MPa，σc=7.89 MPa。將以上參數(shù)代入式（1），可得x1=6.42 m。

由于33301工作面為33采區(qū)首采工作面，區(qū)段煤柱需要長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，以防止31301采空區(qū)積水潰入，區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的基本條件：區(qū)段煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核區(qū)。保持煤柱穩(wěn)定的最小寬度為

式中k為安全系數(shù)，取3。

根據(jù)31301工作面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，x0取14.6 m。通過(guò)理論計(jì)算，確定31301工作面和33301工作面間的區(qū)段煤柱寬度為53.62 m。

3 水巖作用下不同寬度煤柱數(shù)值模擬

3.1 模型建立

根據(jù)實(shí)際條件建立不同寬度煤柱FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模型大小為880 m×400 m×190 m（長(zhǎng)×寬×高），在模型的頂面施加6.8 MPa載荷來(lái)代替上方未建立巖層的重力作用，模型單元體材料采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值計(jì)算模型煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parametersof coal and rock mass in numerical calculation model

3.2 模擬方案

分別取煤柱寬度為50，56，62，68，74 m進(jìn)行模擬，通過(guò)編寫(xiě)Fish語(yǔ)言，對(duì)煤柱塑性區(qū)單元強(qiáng)度進(jìn)行弱化，并在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行迭代，實(shí)現(xiàn)模擬水巖作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程，即隨著33301工作面推進(jìn)，逐次弱化位于31301采空區(qū)積水側(cè)的煤柱，直至33301工作面回采結(jié)束。31301及33301工作面模擬走向長(zhǎng)度均為300 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為100 m。

3.3 模擬結(jié)果分析

31301工作面回采后煤柱塑性區(qū)分布如圖3所示。可看出當(dāng)31301工作面回采80 m左右時(shí)，煤柱塑性區(qū)范圍達(dá)到最大，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，煤柱塑性區(qū)范圍變化不大，當(dāng)工作面推進(jìn)100 m時(shí)，塑性區(qū)寬度約為12 m。

圖3 31301工作面回采后煤柱塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of plastic zone after 31301 working face mining

煤柱寬度為50，56 m時(shí)塑性區(qū)分布如圖4所示。由圖4（a）可知，當(dāng)33301工作面回采70 m時(shí)，50 m寬煤柱距離開(kāi)切眼25 m處塑性區(qū)發(fā)生貫通，同時(shí)，該處直接頂也產(chǎn)生了塑性區(qū)的貫通，直接底具有塑性區(qū)貫通的危險(xiǎn)，33301工作面回采結(jié)束后，整個(gè)煤柱已大面積發(fā)生破壞，失去承載能力。由圖4（b）可知，當(dāng)33301工作面回采90 m時(shí)，56 m寬煤柱距離開(kāi)切眼65 m處塑性區(qū)發(fā)生貫通，同時(shí)，該處直接頂也產(chǎn)生了塑性區(qū)的貫通，直接底具有塑性區(qū)貫通的危險(xiǎn)，33301工作面回采結(jié)束后，煤柱大部分發(fā)生破壞，承載能力極低。

圖4 煤柱寬度為50，56 m時(shí)塑性區(qū)分布Fig.4 Distribution of plastic zone when the width of coal pillar is 50 m and 56 m

煤柱寬度為62 m時(shí)塑性區(qū)分布如圖5所示?？煽闯霎?dāng)33301工作面回采結(jié)束時(shí)，若不考慮采空區(qū)積水弱化作用，煤柱未產(chǎn)生塑性區(qū)貫通，中央保留約14 m寬的彈性核區(qū)；若考慮采空區(qū)積水弱化作用，煤柱中部距開(kāi)切眼45 m處塑性區(qū)產(chǎn)生貫通，同時(shí)，該處直接頂和直接底具有塑性區(qū)貫通的危險(xiǎn)性較大，煤柱僅保留較弱的承載能力。

圖5 煤柱寬度為62 m時(shí)塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone when thewidth of coal pillar is 62 m

煤柱寬度為68 m時(shí)塑性區(qū)分布如圖6所示。可看出當(dāng)33301工作面回采結(jié)束時(shí)，68 m寬煤柱采空區(qū)積水側(cè)塑性區(qū)寬度為24 m，33301工作面回采全過(guò)程中煤柱及直接頂、直接底均無(wú)貫通危險(xiǎn)，完整彈性核區(qū)寬度為32 m，33301工作面回采結(jié)束后，煤柱雖具備一定的承載能力，但采空區(qū)積水弱化作用對(duì)煤柱強(qiáng)度仍有一定影響，煤柱中部塑性區(qū)有凸出發(fā)育的趨勢(shì)。

圖6 煤柱寬度為68 m時(shí)塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zone when the width of coal pillar is68 m

煤柱寬度為74 m時(shí)塑性區(qū)分布如圖7所示?？煽闯?3301工作面回采結(jié)束后，74 m寬煤柱采空區(qū)積水側(cè)距開(kāi)切眼50 m處塑性區(qū)寬度為24 m，彈性核區(qū)寬度為40 m，采空區(qū)積水弱化作用對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響較弱，煤柱整體穩(wěn)定性強(qiáng)。

圖7 煤柱寬度為74 m時(shí)塑性區(qū)分布Fig.7 Distribution of plastic zone when thewidth of coal pillar is 74 m

綜上所述，在彈性核區(qū)處于相對(duì)較高的集中應(yīng)力承載狀態(tài)時(shí)，采空區(qū)積水弱化作用對(duì)煤柱的穩(wěn)定性影響顯著，易造成煤柱及直接頂、直接底的貫通型滲漏，并大幅降低了整體承載性能。煤柱寬度在68 m以下時(shí)，煤柱均會(huì)發(fā)生不同程度的貫通破壞，且直接頂、直接底也存在貫通破壞的危險(xiǎn)，采空區(qū)積水滲漏途徑不會(huì)僅局限于煤壁，加之煤柱的承載能力很弱，穩(wěn)定性得不到可靠保障；68 m寬煤柱雖然彈性核區(qū)尚可，但煤柱中部塑性區(qū)仍有凸出發(fā)育的趨勢(shì)，采空區(qū)積水長(zhǎng)期作用下存在一定的貫通滲漏隱患；74 m寬煤柱穩(wěn)定性更好，采空區(qū)積水弱化作用不顯著。

不同寬度煤柱的應(yīng)力分布云圖、垂直應(yīng)力集中系數(shù)分布曲線(xiàn)分別如圖8、圖9所示。

圖8 煤柱應(yīng)力分布云圖Fig.8 Nephogram of coal pillar stressdistribution

圖9 垂直應(yīng)力集中系數(shù)分布曲線(xiàn)Fig.9 Vertical stress concentration coefficient distribution curve

不同寬度煤柱在33301工作面回風(fēng)巷側(cè)垂直應(yīng)力集中系數(shù)遠(yuǎn)高于采空區(qū)積水側(cè)，最高達(dá)2.89；隨著煤柱寬度增加，垂直應(yīng)力集中系數(shù)不斷下降，平均降幅為4.2%；50～68 m寬煤柱最高垂直應(yīng)力集中位置距離33301工作面回風(fēng)巷右?guī)? m左右；煤柱寬度為74 m時(shí)，最高垂直應(yīng)力集中系數(shù)大幅下降至2.08，降幅為15.5%；煤柱采空區(qū)積水側(cè)除62 m寬煤柱垂直應(yīng)力集中程度較低外（由距開(kāi)切眼45 m處小范圍貫通破壞影響所致），其他寬度煤柱垂直應(yīng)力集中系數(shù)穩(wěn)定在1.9左右，且隨著煤柱寬度的增加，垂直應(yīng)力集中位置逐漸遠(yuǎn)離33301工作面回風(fēng)巷側(cè)。

隨著煤柱寬度的增大，其承載能力增強(qiáng)，兩側(cè)形成的應(yīng)力集中差異性減小，彈性核區(qū)較低應(yīng)力集中區(qū)域范圍逐漸增大。68 m寬煤柱雙側(cè)最高垂直應(yīng)力集中系數(shù)相差0.45，彈性核區(qū)最低垂直應(yīng)力集中系數(shù)為1.63，垂直應(yīng)力分布均勻；74 m寬煤柱雙側(cè)最高垂直應(yīng)力集中系數(shù)相差0.15，彈性核區(qū)最低垂直應(yīng)力集中系數(shù)為1.47，垂直應(yīng)力分布均勻。煤柱寬度較小時(shí)，采空區(qū)積水弱化作用對(duì)較高應(yīng)力集中的彈性核區(qū)具有更強(qiáng)的破壞能力；隨著煤柱寬度的增大，彈性核區(qū)應(yīng)力集中程度降低，采空區(qū)積水側(cè)垂直應(yīng)力低于原巖垂直應(yīng)力的區(qū)域范圍則有所增大，煤柱兩側(cè)應(yīng)力集中分布趨于均勻，采空區(qū)積水弱化作用對(duì)彈性核區(qū)的影響不再顯著。綜合以上數(shù)值模擬結(jié)果，確定煤柱寬度應(yīng)不小于68 m。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果，確定31301采空區(qū)與33301工作面之間的煤柱寬度為70 m。在33301回風(fēng)巷內(nèi)布置測(cè)站，對(duì)二次采動(dòng)影響條件下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖10所示?？煽闯?0 m留設(shè)煤柱可以有效承載頂板壓力，33301回風(fēng)巷頂板最大變形量為103 mm，兩幫最大移近量為39 mm，巷道圍巖變形小，錨索受力穩(wěn)定，為礦井安全高效生產(chǎn)提供了保障。

圖10 33301回風(fēng)巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律Fig.10 Mine pressure behavior law of 33301 return airway

5 結(jié)論

（1）水巖作用對(duì)煤體強(qiáng)度弱化產(chǎn)生顯著影響，區(qū)段煤柱積水側(cè)塑性區(qū)寬度隨煤體強(qiáng)度弱化程度的增加而擴(kuò)大。基于區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的基本條件，通過(guò)理論計(jì)算確定了區(qū)段煤柱的合理寬度為53.62 m。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明：煤柱寬度小于62 m時(shí)，采空區(qū)積水弱化作用對(duì)較高應(yīng)力集中的彈性核區(qū)具有更強(qiáng)的破壞能力；隨著煤柱寬度的增大，彈性核區(qū)應(yīng)力集中程度降低，采空區(qū)積水側(cè)垂直應(yīng)力低于原巖垂直應(yīng)力的區(qū)域范圍則有所增大，煤柱兩側(cè)應(yīng)力集中分布趨于均勻，采空區(qū)積水弱化作用對(duì)彈性核區(qū)的影響不再顯著。

（3）綜合理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果，確定了區(qū)段煤柱寬度為70 m。工程應(yīng)用結(jié)果表明，70 m寬留設(shè)煤柱可以有效承載頂板壓力，巷道圍巖變形小，錨索受力穩(wěn)定，保障了礦井安全生產(chǎn)。