區段煤柱寬度對采煤工作面沖擊危險性的影響研究

孫紅俊

(山西汾西礦業集團水峪煤業，山西 孝義 032300)

0 引言

采煤工作面區段煤柱的大小，一直是研究采煤工作面支護經常探討的課題。文中對5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m 6種煤柱寬度進行模擬，通過觀測煤柱的側向支承壓力分布規律和剩余彈性應變能分布規律，發現在煤柱寬度增加過程中，煤柱中應力峰值由小變大，然后再變小，其支承壓力分布曲線由“拱形”向“馬鞍形”過渡。

1 工程概況

1304工作面位于-650 m水平，開采面積約159 824 m2，標高-536～-660 m，對應地面標高380 m，傾斜長度平均184 m，走向方向推進長度870.5 m。回采3#煤層，煤層傾角18°～21°，平均傾角為19°，煤厚平均7.5 m，屬穩定性厚煤層，采用放頂煤開采工藝。煤層普氏硬度f=2～3，屬于中硬煤層。煤層直接頂粉砂巖，厚1～5.76 m，灰～深灰色，夾灰～淺灰色細砂巖薄條帶。基本頂為淺灰色中細砂巖，夾黑色炭質包體，有時見泥巖或粉砂巖包體，局部相變為粉砂巖、細砂巖互層，水平互層層理。直接底為灰黑色泥巖或粉砂巖，多含植物根部化石。經鑒定，3#煤層具有沖擊傾向性。

2 建立數值模型

2.1 建立模型

數值計算模型以1304孤島工作面地質條件為背景，煤(巖)體采用彈塑性本構模型，模型總共劃分為432 000個單元格，451 369個網格節點。模型尺寸(長×寬×高)540 m×300 m×232 m，該模型采用摩爾-庫倫本構模型，模型四周邊界條件x、y方向分別施加水平約束，頂部施加等效荷載q=γ·h(γ為上覆巖層平均容重，取25 kN/m3，h為模型埋深，取600 m)，可以得到等效荷載為14.7 MPa。

首先利用FLAC3D內置的Null命令，模擬開采1303、1305兩個工作面，等效為1304工作面的采空區，同時考慮邊界效應的影響，沿x軸方向邊界處留設50 m寬的煤柱，沿y軸方向邊界留設30 m寬的煤柱，運輸平巷和回風平巷側各留5 m寬護巷煤柱。

圖1 模型幾何結構圖

2.2 選取煤(巖)體物理力學參數

根據煤巖體的巖石力學特性，在支承壓力和局部集中應力的疊加作用下，當煤(巖)體所承受的荷載大于其極限強度后，煤(巖)體將產生不同形式的破壞。通常情況下，煤(巖)體在發生塑性變形破壞后往往會保留一定的殘余強度。煤巖體發生沖擊地壓所產生的破壞是沿著煤巖體弱面或軟層滑動失穩的結果。巖石強度的屈服準則是判別某一點的應力是否進入塑性狀態的判別準則，其中巖石摩爾-庫倫模型的屈服準則為：

(1)

式中：σ1—最大主應力，MPa；σ3—最小主應力，MPa；C—內聚力，MPa；φ—內摩擦角，(°)。

當fs>0時，煤(巖)體發生剪切破壞；當ft<0時，煤(巖)體發生拉應力破壞。

2.3 數值模擬方案

參照1304工作面煤巖層地質條件，其它條件不變，通過模擬研究煤柱寬度為5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m時，煤柱側向支承壓力以及煤柱內剩余彈性應變能分布規律，揭示孤島工作面煤柱失穩破壞變形規律，探討采動對孤島工作面沖擊危險程度的影響。

3 不同煤柱寬度側向支承壓力分布規律

根據現場留設的運輸平巷側5.2 m煤柱與回風平巷側4.2 m煤柱作為參考數值，在煤厚一定時(7.5 m)，本次模擬取煤柱寬度分別為5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m 6種工況，研究煤柱側向支承壓力分布規律，從而揭示孤島工作面發生煤柱型沖擊失穩的演化規律。采用Tecplot后處理軟件處理FLAC3D模擬結果，得到不同煤柱寬度影響下側向支承壓力分布。通過借助FLAC3D內置的數據后處理功能，導出不同煤柱寬度的側向支承壓力值，得到不同煤柱寬度的側向支承壓力分布曲線如圖2所示。

圖2 不同煤柱寬度側向支承壓力分布曲線

當煤柱寬度<16 m時：即煤柱寬度為5 m、8 m、10 m時對應的應力峰值為24.1 MPa、29.5 MPa、35.1 MPa，隨著煤柱寬度的增加，煤柱中側向支承壓力逐漸增大，煤柱中沖擊危險程度也相應的增大。

當煤柱寬度為10 m時：煤柱中應力集中達到最大，易發生沖擊危險，進而誘發煤柱型沖擊地壓，因此開采過程中不能留設10 m寬度的煤柱。

當煤柱寬度>10 m時：即煤柱寬度為16 m、24 m、30 m時對應的應力峰值為32.8 MPa、30.8 MPa、30 MPa，即隨著煤柱寬度的增加，煤柱內支承壓力呈現先增加后降低后增加的趨勢。

當煤柱寬度>16 m時：雖然煤柱中支承應力逐漸減小，但是隨著煤柱寬度的增大，又會引起巷道附近的應力集中程度增加，因此考慮到企業為提高煤炭采出率，減少事故率，從而達到安全、高產、高效的目的，建議采用小煤柱護巷的方法，最終選擇留設5 m寬的煤柱作為護巷煤柱。

4 不同煤柱寬度剩余彈性應變能分布規律

根據趙陽升提出的最小能量理論可知，無論巖體在幾維應力狀態下破壞所需要的能量總是等于一維應力狀態下破壞(即單軸壓縮與剪切破壞)所消耗的能量。當煤體-圍巖力學系統失穩所釋放的能量大于其消耗的能量時即發生沖擊地壓，煤體中儲存的彈性能與煤體破壞所需最小能量之差即為剩余彈性應變能。若煤巖體中剩余彈性能大于零，則有可能發生沖擊地壓，煤體中剩余彈性能越大，其發生沖擊危險的可能性就越大。因此煤體破壞過程中剩余彈性能起到很大作用，研究煤體中剩余彈性能對預防沖擊地壓的發生起到了重要作用。

在煤厚一定時(7.5 m)，煤柱寬度為5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m 6種工況下，根據煤柱側向彈性應變能分布規律，從而揭示煤柱沖擊失穩性大小，研究了沿著傾斜方向不同煤柱寬度的剩余彈性應變能分布曲線。研究認為，隨著煤柱寬度的增加，煤柱中積聚的彈性能也逐漸增大，從而工作面發生沖擊地壓的可能性也就增大，煤柱寬度為10 m時，沖擊危險程度達到最大。隨著煤柱寬度的增加，煤柱中剩余彈性能逐漸地減少，相對10 m時的煤柱其沖擊危險程度大大降低。圖3為不同煤柱寬度剩余彈性應變能密度分布曲線。

圖3 不同煤柱寬度剩余彈性應變能密度分布曲線

當煤柱寬度<16 m時：即煤柱寬度為5 m、8 m、10 m時對應的剩余彈性應變能峰值分別為24.1 kJ/m3、29.5 kJ/m3、35.1 kJ/m3，隨著煤柱寬度的增加，煤柱中剩余彈性應變能峰值逐漸增大。

剩余彈性能密度峰值為18.1 kJ/m3，此時煤柱中彈性應變能密度峰值小于煤(巖)破壞消耗的能量密度值，此時煤柱處于安全狀態，不易發生沖擊失穩。

5 結語

當煤柱寬度<10 m時，隨著煤柱寬度的增加，其側向支承壓力峰值逐漸增大，當煤柱寬度>10 m時，煤柱中側向支承壓力峰值又逐漸降低。總體看來，在煤柱寬度增加過程中，煤柱中應力峰值由小變大，然后再變小，其支承壓力分布曲線由“拱形”向“馬鞍形”過渡。對比不同煤柱寬度發現當護巷煤柱寬度為5 m時，煤柱所受側向支承壓力以及煤柱中的剩余彈性應變能均較小，發生沖擊危險的可能性較小，采區回采率高。