深部高應力雙巷布置工作面煤柱寬度合理性研究

田建設，賈金兌，朱浩宇，廉開元

(1.陜西能源小壕兔煤電有限公司，陜西 榆林 719053；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

深部煤層開采條件下，礦壓顯現異常，沖擊地壓等動力災害事故頻發，尤其是在煤柱寬度設計不合理的情況下，反而會給巷道安全生產帶來一定威脅[1]。如過大的區段煤柱內部存在一定的彈性核區，煤柱內應力高度集中，一方面煤柱應力向兩側巷道自由面進行傳遞，造成臨空側巷道底鼓、片幫嚴重等，而另一方面受構造、強采動等客觀因素影響，彈性核所積聚的能量快速釋放[2]，表現為巷道瞬間彈起等動力災害，這種突然間的應力釋放給工作人員生命財產安全帶來嚴重的威脅。因此，深部高應力區段煤柱留設合理性研究對于礦井安全生產具有至關重要的意義。

目前國內外有許多專家學者針對煤柱留設相關理論展開了較為深入的研究，如孔德中等[3]采用現場實測、數值模擬方法對大采高綜放面區段煤柱寬度進行了研究，結果表明留設大煤柱(28m、30m)情況下，采動應力影響煤柱中央有一定的彈性核，煤柱及巷道穩定性較高；石崇等[4]以付村煤礦為工程背景，研究了工作面采動壓力影響下的區段煤柱尺寸，表明巷道布置在距離煤幫0～6m的應力降低區較為合理，此時區段保護煤柱設計3～5m，圍巖控制效果良好；祁和剛等[5]以葫蘆素礦井為背景，研究了區段煤柱集中載荷對巷道圍巖穩定性的影響，結果表明目前工作面設計的30m區段煤柱在側向支承壓力的作用下會對底板巖層產生較大影響，造成巷道底鼓嚴重等現象；張杰等[6]采用數值模擬研究了不同留設煤柱寬度的煤柱應力、塑性區分布特征，結果表明區段煤柱14m穩定性更高，其應力峰值小于煤層強度；張向陽等[7]基于FLAC數值模擬研究了深井動壓巷道群圍巖應力分布及變形破壞特征，表明深部巷道群在單側工作面開采時設計80m區段煤柱，圍巖受采動影響較小；潘黎明[8]以黃玉川煤礦4#煤層為工程背景，研究了綜采工作面區段煤柱應力分布規律，表明煤柱的破壞主要是由于工作面回采后采空區上覆巖層壓力的增幅造成的；譚凱[9]研究了察哈素煤礦厚煤層綜采工作面雙巷煤柱優化問題；來興平等研究提出了煤柱寬度預測的GRNN模型和PSO-SVM模型[10，11]。綜上研究可得，許多專家學者分別采用多種研究方法研究區段煤柱應力分布規律，結合多種手段進行試驗驗證所得區段煤柱寬度的合理性，取得了一定的成效，但仍對深部條件下的煤柱寬度合理性研究相對較少，仍需要展開進一步的研究。

本文以園子溝煤礦1022101工作面為工程背景，在現場調研、理論分析的基礎上，運用FLAC3D數值模擬對不同煤柱寬度下的巷道穩定性、應力分布狀態進行分析，提出該深部高應力巷間煤柱留設建議，為類似條件下煤柱寬度設計提供參考依據。

1 工程概況

園子溝煤礦目前主要開采2#煤層，煤層賦存穩定，結構較為簡單，煤層厚度3.0～14.9m，夾矸1～2層，一般厚度0.1～0.6m，巖性均以泥巖或粉砂巖為主，頂底板巖性特征見表1。根據煤層賦存特征，采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤采煤法，全部垮落法管理采空區頂板。

表1 頂底板巖性特征

1022101工作面長約200m，巷道布置采用雙巷布置方式，工作面南側為進風運輸巷及輔助運輸巷，運輸巷和輔助運輸巷之間留設煤柱寬度為25m，巷道南側為1022102準備工作面；工作面北側為回風巷，一號回風巷和二號回風巷巷道間煤柱寬度為15m，巷道布置如圖1所示。1022101工作面運輸機巷寬5.5m，凈斷面16.5m2，輔助運輸巷寬5m，凈斷面17.5m2，巷道采用錨網索梁協同支護。

圖1 1022101工作面巷道布置(m)

工作面埋深達712～827m，屬于深部開采，圍巖地應力較高。由于礦井對于工作面回采影響下煤柱側圍巖應力分布認識不清，且缺乏深部高應力條件下巷間煤柱合理寬度設計理論依據，對于煤柱寬度留設未形成統一認識，如在運輸巷巷間煤柱寬度設計為25m，回風巷巷間煤柱寬度設計為15m。其留設25m大煤柱，不僅造成開采過程中煤柱應力高度集中，引起回采期間煤柱片幫、底鼓嚴重、沖擊地壓等圍巖災變問題，給礦井安全生產帶來嚴重的安全隱患，同時煤柱尺寸過大，也造成了煤炭資源的嚴重浪費。因此，研究確定合理的煤柱尺寸勢在必行。

2 煤柱合理留設尺寸分析

煤層開采后巷間煤柱所受支承壓力明顯增大，這一系列載荷主要是由于煤柱上覆巖層重量、煤柱一側采空區懸露巖層轉移到煤柱上的部分重量所引起的[12]。基于此，以園子溝煤礦1022101工作面為背景，建立煤柱承載力學模型，如圖2所示，運用載荷估算法對煤層的承載狀態進行分析，分析確定煤層的合理煤柱寬度。

圖2 煤柱載荷計算

計算模型如圖2所示，單位長度煤柱載荷：

式中，B為煤柱寬度，m；D為采空區寬度，按巷道跨度計算，取5.5m；H為巷道埋深，取700m；δ為采空區上覆巖層跨落角，取45°；γ為上覆巖層平均體積力，取25kN/m3。

則煤柱單位面積的平均載荷即平均應力：

煤柱穩定性分析必須綜合考慮煤柱載荷及其強度[13]，因此在確定煤柱承載狀態后，其煤柱寬度必須保證煤柱的極限載荷σ不超過它的極限強度R，極限強度R為：

式中，R為煤柱極限強度，MPa；RC為煤的單軸抗壓強度，取15.65MPa；h為煤柱高度，取3.5m。

此時，園子溝煤礦滿足煤柱兩側只采一個工作面，煤柱寬度B滿足：

根據上述煤柱穩定性計算條件，將參數代入式(4)可得，園子溝煤礦深部高應力巷間煤柱寬度B≥12.878m時較為合理。

進行煤柱尺寸設計時，還應綜合考慮圍巖穩定性等因素[14]。當煤柱寬度逐漸減小時，最大支承壓力逐漸遠離煤壁，煤壁破壞深度也隨之增大，圍巖變形破壞嚴重，因此應適當增加煤柱尺寸，合理的煤柱寬度不僅能滿足控制圍巖破壞的需求，也能控制深部煤體應力集中引發的沖擊地壓災害，故煤柱尺寸勢必不能過大。而園子溝煤礦煤層實際留設一側巷間煤柱寬度為25m，煤壁破壞深度較大，且導致巷道側向支承壓力增大，不利于巷道維護。因此，進一步通過FLAC3D建立模型，模擬分析不同煤柱寬度下的應力分布狀態，對于研究煤柱合理寬度具有積極的意義。

3 不同煤柱寬度的數值模擬分析

3.1 模型建立

依據園子溝煤礦1022101工作面地質條件建立FLAC3D數值計算模型，模型X方向長550m，Y方向寬度500m(采煤方向)，Z方向高度131m。模型前后左右和底邊界均采用位移邊界進行固定，上邊界施加17.5MPa的均布載荷，圍巖本構關系采用摩爾庫侖模型。考慮到實際安全需要，為確保多次采動期間巷道圍巖也處于安全范圍內，應考慮回采期間完全無支護情況下的煤柱極限破壞情況，模擬無支護條件下即考慮圍巖承載及破壞情況均為最大值時，所確定的合理煤柱寬度在現場應用時安全系數更高。

1022101工作面回采后，運輸巷煤柱側垂直應力分布情況如圖3所示。由圖3可知，1022101工作面回采后支承壓力峰值約為58MPa，該位置埋深約800m，原巖應力約20MPa，應力集中系數約為2.85。此時，運輸巷煤柱側圍巖支承應力峰值位置距離煤壁側為2～4m，如圖4所示，與現場松動圈實測煤體破壞范圍約2m基本符合，所建模型模擬煤柱破壞情況與實際相符，展開垂直應力分布模擬結合較為準確。

圖3 巷道煤柱側圍巖應力分布

圖4 運輸巷圍巖破壞范圍(左側為25m煤柱)

由圖3還可以看出，運輸巷煤柱側圍巖側向支承壓力升高區主要位于0～10m內，10m范圍外為應力降低區，進行煤柱寬度設計時同樣需將巷道布置于煤柱應力降低區10m范圍外，與理論分析煤柱寬度大于12.9m基本相符。

3.2 不同煤柱寬度的垂直應力分布

深部礦井開采條件下，垂直應力分布規律一定程度上可以反映圍巖應力集中狀態，垂直應力越大，圍巖應力集中程度越大，煤柱側圍巖積聚的能力越大。煤柱寬度對于垂直應力分布具有明顯的影響，煤柱寬度越大，煤體承載能力越強，所得應力集中程度越大，越容易引發沖擊災害，而煤柱寬度過小，承載能力減弱，越容易發生失穩破壞[15]，故研究不同煤柱寬度下的垂直應力分布狀態具有積極的意義。

根據前述模擬支承壓力分布情況，結合現場巷道布置條件，建立FLAC3D雙巷布置及工作面回采數值模擬模型對留設不同尺寸的煤柱進行靜力學計算，煤柱寬度分別為7m、10m、13m、16m、19m、22m和25m，對此分析得出多次回采影響下的工作面前方5～10m峰值位置處煤柱側圍巖極限垂直應力分布規律，如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出，一次采動階段工作面前方煤柱沿傾向方向上的垂直應力先增大后減小，煤柱寬度為7m、10m時的應力峰值分別為21.4MPa、43.1MPa，此時煤柱整體位于應力降低區，圍巖發生較大范圍的塑性破壞，應力值降低；當煤柱寬度增加到13m、16m時，應力峰值達到56.3MPa，煤柱內部一定范圍內為應力集中區域，但總體偏小；當煤柱寬度增加到19m、22m、25m時，應力峰值分別為56.7MPa、48MPa、43.2MPa，煤柱內主垂直應力呈不對稱雙峰布置，煤柱內部存在較大范圍的彈性核區，應力集中程度相對較大，在具有沖擊傾向性的煤層中容易引發沖擊地壓等災害。

由圖6可以看出，二次采動階段工作面前方煤柱沿傾向方向上的垂直應力先增大后減小。煤柱寬度為7m、10m、13m、16m時應力峰值分別約為10MPa、20MPa、25MPa、40MPa，支承壓力分布呈單駝峰形狀；煤柱寬度為19m、22m、25m時應力峰值分別約為70MPa、100MPa、118MPa，應力值明顯增大，應力高度集中，容易引發沖擊地壓等災害。

由此可見，由于原巖應力為17.5MPa，煤柱寬度7m、10m、13m時，巷道在多次采動影響下煤柱側圍巖均位于應力降低區；煤柱寬度為16m以上時，煤柱中間均存在一定的范圍為應力集中區，容易引發造成沖擊地壓等災害。

4 巷間煤柱合理寬度確定

綜上可知，煤柱尺寸為7～25m時，煤柱沿傾向方向垂直應力先增大后減小，煤柱兩側均存在一定范圍的塑性區。當煤柱尺寸為7m、10m時，煤柱整體上發生塑性破壞，煤柱已經被壓垮，承載能力明顯降低，巷道穩定性較差，易引發采空區漏風，對于瓦斯防治、防滅火等均帶來不利影響；當煤柱尺寸為16m、19m、22m、25m時，煤柱中間存在一定范圍的彈性核區，煤柱寬度越大，彈性核區積聚能量越多，更容易引發巷道圍巖發生底鼓、沖擊等次生圍巖災害。

由圖4、圖7現場巷道圍巖松動圈破壞范圍可得，運輸巷25m煤柱側圍巖最大塑性破壞范圍為2.1m，回風巷15m煤柱側圍巖最大塑性破壞范圍為2.2m，留設15m和25m煤柱情況下，煤柱破壞深度近似一致。且由實際調研可知，回采階段圍巖變形情況無明顯區別，無論25m煤柱還是15m煤柱，該側圍巖變形整體均處于可控范圍內。

因此，在綜合考慮資源回收率、巷道圍巖穩定性、次生災害控制等因素的基礎上，確定園子溝煤礦深部高應力巷間煤柱留設13～15m較為合理。

5 結 論

通過現場實測、數值模擬、理論計算對園子溝煤礦1022101工作面巷間煤柱寬度合理性分析可得：

1)1022101工作面傾向支承壓力降低區在巷幫側10m范圍外，0～10m為應力增高區，應力峰值位置為2～4m。

2)結合理論分析、側支承壓力分布規律分析，確定煤柱寬度為7m、10m時，煤柱整體發生壓垮破壞，而當煤柱尺寸為16m、19m、22m、25m時，煤柱中間存在彈性核區，煤柱寬度越大，彈性核區積聚愈易引發巷道底鼓、沖擊等次生災害。

3)結合現場試驗調研，1022101工作面回采影響下回風巷15m煤柱側、運輸巷25m煤柱側圍巖變形破壞程度無明顯區別，在考慮資源回收率、巷道穩定性、次生災害控制的基礎上，明確園子溝煤礦深部高應力雙巷布置工作面巷間留設13～15m煤柱較為合理。