孤島工作面保護(hù)煤柱合理尺寸留設(shè)研究

秦小衛(wèi)

(邢臺礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司辦公室，河北 邢臺 054000)

隨著煤礦開采深度的不斷延伸，煤炭資源回收利用有著重大的意義，而孤島工作面回收對于煤炭資源回收起著重要的意義[1]。在孤島工作面回采過程中，保護(hù)煤柱尺寸留設(shè)和沖擊地壓危險性不容忽視。目前，有許多專家學(xué)者對孤島工作面進(jìn)行了研究，陳峰等就孤島工作面巷道位置布置進(jìn)行了研究[2]，楊偉利等就孤島工作面沖擊地壓識別和防沖進(jìn)行了研究[3-5]。但結(jié)合巷道位置布置和沖擊地壓能量理論研究孤島工作面保護(hù)煤柱合理尺寸的論文較少，本論文針對這一問題展開研究，預(yù)期研究成果可對該領(lǐng)域有所補(bǔ)充。

1 工程背景

章村礦目前待采的孤島工作面，在礦井設(shè)計初期是作為下伏運(yùn)輸大巷的保護(hù)煤柱，該孤島工作面煤厚2.6～4.3m，平均3.5m，煤層傾角18～23°，平均18°。工作面標(biāo)高-420～ -452m，地面標(biāo)高16.9m，工作面走向長1816.1m，傾斜長75～105m，平均100m，可采儲量83.5萬t。

2 孤島工作面力學(xué)模型研究

2.1 孤島工作面分區(qū)的計算研究

當(dāng)工作面一側(cè)采空時，由于應(yīng)力的重新分布，從煤柱一側(cè)可能依次出現(xiàn)破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性應(yīng)力升高區(qū)以及原巖應(yīng)力區(qū)，如圖1所示。根據(jù)極限平衡區(qū)計算公式，得到實(shí)體煤幫破碎區(qū)寬度：

式中：

M-煤層開采厚度，m；

φ-煤體的內(nèi)摩擦角，（°）；

K-應(yīng)力集中系數(shù)；

C-煤體的粘聚力，MPa；

f-煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦因素；

ξ-三軸應(yīng)力系數(shù)，

圖1 一側(cè)采空、實(shí)體煤一側(cè)支承應(yīng)力分布

章村礦M為3.5m，φ為20°，K根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取5，C為0.5MPa，代入公式(1)解得破碎區(qū)Lb=7.12m。孤島工作面單側(cè)靠采空區(qū)的應(yīng)力分布如圖2所示。從沿空掘巷角度考慮，沿著破碎區(qū)布置回采巷道，由于破碎區(qū)范圍是7.12m，巷道尺寸為4m，因此，回采巷道與采空區(qū)之間保留3～4m的保護(hù)煤柱。

圖2 孤島工作面支承應(yīng)力分布與分區(qū)

2.2 沖擊地壓發(fā)生的能量理論

前蘇聯(lián)學(xué)者阿維爾申教授認(rèn)為，煤層中儲存的彈性能是由三部分組成，分別為體變彈性能（UV）、形變彈性能（Ut）和頂板的彎曲彈性能（UW）。在此著重研究頂板彎曲彈性能，即頂板發(fā)生初次斷裂后，滿足：

式中：

M-頂板的彎矩；

E-彈性模量；

H-采深；

B-煤柱寬度；

D-損傷參量；

φ-頂板下沉的轉(zhuǎn)角；

J-頂板的斷面慣矩；

Rt-頂板巖層的抗拉強(qiáng)度；

q-頂板巖層的承載；

h-頂板厚度；

L-頂板的懸伸長度。

由公式（2）可得，孤島工作面頂板的彈性能主要受工作面的尺寸、待開采煤層的頂板厚度、側(cè)壓系數(shù)、圍巖內(nèi)聚力、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、覆巖垮落角、孤島工作面的傾斜長度、采空區(qū)與實(shí)體煤的剛度系數(shù)、煤體與頂?shù)装迥Σ料禂?shù)等因素有關(guān)。同時，可以確定上覆巖層斷裂步距對孤島工作面積聚能力的影響不大。如圖3所示為孤島工作面的支承應(yīng)力分布。

圖3 雙側(cè)采空孤島煤柱內(nèi)部支承應(yīng)力分布與分區(qū)

在開采技術(shù)參數(shù)相同的情況下，孤島煤柱中部存在彈性區(qū)，兩側(cè)產(chǎn)生寬度相同的塑性區(qū)。由突變理論知，當(dāng)塑性區(qū)尺寸超過孤島煤柱尺寸的88%時，煤柱可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，從而引起突變，這為孤島工作面留設(shè)煤柱過程中，提供了理論依據(jù)。進(jìn)一步得到孤島煤柱發(fā)生突變的臨界尺寸為：

將章村礦M為3.5m，φ為20°，K根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取5；C為0.5MPa，代入公式（3），解得B=12.5m。當(dāng)采用留煤柱護(hù)巷方式開采孤島工作面時，所留設(shè)的煤柱尺寸需要大于12.5m。因此，選取護(hù)巷煤柱尺寸3m和13m進(jìn)行進(jìn)一步研究，以期得到合理的煤柱尺寸。

3 煤柱尺寸留設(shè)數(shù)值模擬研究

對工作面的開采狀況研究利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D實(shí)現(xiàn)，煤巖石的物理力學(xué)參數(shù)詳細(xì)見表1所示，模型尺寸為500m×150m×195m，巖層平均傾角為20°，孤島工作面長度為100m，厚度為3.5m，模型埋深約為452m，在模型頂部施加垂直方向的荷載為7.3MPa。

如圖4（a）、（b）和圖5所示，觀察孤島工作面留設(shè)3m煤柱和13m煤柱的豎直方向應(yīng)力云圖，當(dāng)孤島煤柱留設(shè)3m保護(hù)煤柱時，煤柱上方的支承應(yīng)力峰值是10MPa；當(dāng)孤島煤柱留設(shè)煤柱尺寸大于12.5m，采用留設(shè)13m保護(hù)煤柱時，煤柱上方的支承應(yīng)力峰值最大會達(dá)到80MPa，3m煤柱支承應(yīng)力峰值僅為13m煤柱支承應(yīng)力峰值的12.5%，且留設(shè)3m煤柱時圍巖的支承應(yīng)力分布范圍明顯遠(yuǎn)小于留設(shè)13m煤柱時。通過對比，結(jié)合前節(jié)能量理論可以說明，3m煤柱發(fā)生塑性破壞后，屬于卸壓狀態(tài)，煤柱內(nèi)部無彈性核，無法積聚大量的彈性能，不存在沖擊危險，而13m煤柱內(nèi)部仍存在彈性核，可以積聚大量的彈性能，開采過程中存在煤柱突然失穩(wěn)發(fā)生沖擊的風(fēng)險。

表1 巖層巖性力學(xué)參數(shù)

圖4 不同尺寸煤柱豎直方向應(yīng)力云圖

圖5 孤島工作面支承應(yīng)力的分布

4 結(jié) 論

（1）在開采孤島工作面時，由計算所得，圍巖破碎區(qū)范圍是7.12m，因此，可以考慮在采空區(qū)與回采巷道之間留設(shè)3～4m的保護(hù)煤柱。

（2）結(jié)合突變理論，當(dāng)塑性區(qū)尺寸超過孤島煤柱尺寸的88%時，煤柱可能發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，計算得到當(dāng)采用留大煤柱護(hù)巷方式開采孤島工作面時，所留設(shè)的煤柱尺寸需要大于12.5m。

（3）孤島工作面保護(hù)煤柱留設(shè)數(shù)值模擬研究結(jié)果表明，當(dāng)采用3m保護(hù)煤柱時支承應(yīng)力峰值僅為13m保護(hù)煤柱的12.5%，屬于卸壓狀態(tài)，對防控沖擊地壓有利。