某礦遺留煤柱下工作面合理區(qū)段煤柱寬度研究

石創(chuàng)創(chuàng) 張君杰 楊 汐 陳建華 劉澤瑞 楊恒澤

（1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院；2.山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院）

隨著多年煤炭工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)東部地區(qū)淺部?jī)?yōu)質(zhì)煤炭資源所剩無(wú)幾，深部資源開(kāi)采面臨“三高一擾動(dòng)”等諸多問(wèn)題，因此，淺部被壓優(yōu)質(zhì)資源的安全高效開(kāi)采是一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題［1］。厚煤層常采用分層條帶采煤法進(jìn)行開(kāi)采，在頂分層煤體條采過(guò)后，勢(shì)必會(huì)遺留條帶煤柱。根據(jù)礦山壓力理論可知，受地質(zhì)力和工程力的影響，遺留條帶煤柱內(nèi)的應(yīng)力會(huì)重新分布，條帶煤柱內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中、彈性變形以及塑性破壞等現(xiàn)象［2］。當(dāng)下分層工作面回采巷道布置在遺留條帶煤柱下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生煤層頂板不均勻沉降、煤體應(yīng)力分布異常等現(xiàn)象，這些異常現(xiàn)象影響區(qū)段煤柱的留設(shè)，若區(qū)段煤柱尺寸不合理，不僅會(huì)造成回采巷道支護(hù)困難的問(wèn)題，而且還有可能會(huì)發(fā)生頂板事故、沖擊地壓事故等。因此，研究遺留條帶煤柱下工作面合理的區(qū)段煤柱寬度，對(duì)工作面安全高效開(kāi)采具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)合理區(qū)段煤柱寬度研究頗多，A H Wilson［3］根據(jù)屈服區(qū)和三向應(yīng)力狀態(tài)的核區(qū)應(yīng)力分布規(guī)律綜合兩側(cè)采空后煤柱上應(yīng)力分布規(guī)律得出的煤柱分擔(dān)載荷公式，從而確定煤柱合理寬度；張廣超等［4-8］采用數(shù)值模擬、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、理論分析的方法研究了相應(yīng)特定地質(zhì)條件下的合理煤柱寬度，并進(jìn)行工業(yè)性實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)證明留設(shè)煤柱寬度的穩(wěn)定性，為類似條件下區(qū)段煤柱的留設(shè)提供了極大的參考意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在區(qū)段煤柱合理寬度等方面進(jìn)行了大量的研究，但針對(duì)遺留條帶煤柱下布置工作面這一特殊情況的研究較少。本項(xiàng)目對(duì)遺留條帶煤柱下工作面合理區(qū)段煤柱寬度進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)條帶煤柱下工作面的安全高效開(kāi)采。

1 工程概況

山東省某礦首采區(qū)北翼開(kāi)采前期受地面村莊未搬遷完畢影響，設(shè)計(jì)采用分層條帶開(kāi)采，預(yù)先采用條帶采煤法開(kāi)采上分層煤體，現(xiàn)地表村莊搬遷完畢，準(zhǔn)備回采下分層煤體及部分上分層遺留條帶煤柱，規(guī)劃1310工作面布置在礦井西北部，地面標(biāo)高為+35.4～+37.1 m，工作面標(biāo)高為-434.9～-412.0 m，平均埋深為460 m，1310工作面擬布置區(qū)域（圖1虛線范圍）位于1310上工作面下部，東為1308回采工作面，西為1312上工作面，北為3煤層沖刷變薄帶，1312上采空區(qū)距1310上采空區(qū)77 m，1308采空區(qū)與1310上采空區(qū)距離為35 m，1310工作面計(jì)劃開(kāi)采范圍平面圖及剖面圖如圖1、圖2所示。

2 合理區(qū)段煤柱寬度理論分析

遺留條帶煤柱兩側(cè)工作面回采結(jié)束后，采空區(qū)頂板大面積垮落，采空區(qū)邊緣的煤體處于塑性破壞區(qū)，煤體完整性差，破碎嚴(yán)重，若將下分層工作面軌道運(yùn)輸布置于此處，巷道變形嚴(yán)重，難以維護(hù)。由沿空側(cè)向支承壓力分布規(guī)律可知，因煤層及圍巖結(jié)構(gòu)不同，支承壓力峰值大多出現(xiàn)在距煤柱邊緣位置10~30 m處，所以大煤柱護(hù)巷易造成壓力集中、巷道底鼓，并且增大了具有沖擊傾向性煤體發(fā)生沖擊地壓的可能性。根據(jù)相關(guān)研究可知，遺留條帶煤柱因承載兩側(cè)采空區(qū)覆巖的載荷，條帶煤柱中產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；條帶煤柱底煤中央范圍應(yīng)力集中程度較大，在沿空側(cè)10 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)域；1310上工作面的開(kāi)采造成底部煤體破損嚴(yán)重，巷道若布置在1310上采空區(qū)下部不僅不利于巷道的支護(hù)，而且還放棄了大量條帶煤柱中的可采煤炭資源。出于節(jié)約煤炭資源以及安全回采的目的，應(yīng)將1310工作面回采巷道布置在條帶煤柱底部并沿1308采空區(qū)采用小煤柱護(hù)巷掘進(jìn)。因此，小煤柱護(hù)巷不僅技術(shù)上可行，而且在工作面安全回采及經(jīng)濟(jì)效益上也可行。

1308工作面開(kāi)采后，直接頂相關(guān)的巖層在采空區(qū)隨采隨落，喪失了向工作面回采前方及采空后方進(jìn)行力學(xué)傳遞的能力，基本頂巖層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主導(dǎo)著工作面礦山壓力的分布與顯現(xiàn)。基本頂由傳遞巖梁組成，其運(yùn)動(dòng)破斷時(shí)會(huì)將基本頂上部巖層產(chǎn)生的載荷傳遞到周圍煤巖上，煤巖上的支承壓力將明顯分為2個(gè)部分，如圖3所示。圖3中S1為“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”，內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)支承壓力的來(lái)源是基本頂巖層，基本頂巖層的重量及運(yùn)動(dòng)情況，決定其內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的分布范圍及壓力變化情況；S2為外應(yīng)力場(chǎng)，此范圍支承壓力的來(lái)源是基本頂及其上覆巖層的總體。由內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)理論可知，處于內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中的煤體所承受的礦山壓力較小，在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中布置煤柱及巷道，有利于確保煤柱的穩(wěn)定性以及巷道的安全。

選用小煤柱護(hù)巷時(shí)，應(yīng)選擇將煤柱布置在“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”中，這樣小煤柱和回采巷道將處于較低應(yīng)力環(huán)境內(nèi)，利于巷道支護(hù)。因此必須弄清楚“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”的分布范圍，“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”支承壓力的分布公式［9］為

式中，σy為側(cè)向支承壓力，Pa；G0為煤體剛度，Pa；y0為煤壁煤體的壓縮量，m；S1為煤壁至采空區(qū)距離，m。

根據(jù)相關(guān)研究可知，內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍內(nèi)煤體上支承壓力的峰值等于工作面初次來(lái)壓時(shí)基本頂?shù)淖陨碇亓Γ梢缘玫绞剑?）［10］

式中，L為工作面傾向長(zhǎng)度，m；C0為基本頂初次垮落步距，m；Mi為基本頂厚度，m；γz為基本頂平均容重，kN m3。

所以，內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)S1為

通過(guò)查閱某礦地測(cè)資料，將各項(xiàng)參數(shù)代入式（3），計(jì)算得到內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)S1為7.07 m。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

選取1308采空區(qū)與1310上采空區(qū)之間的煤柱做為試驗(yàn)條帶煤柱，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。X軸是工作面的傾斜方向，Y軸是工作面的走向方向，Z軸是模型垂直方向。數(shù)值模型尺寸為350 m×550 m×110 m（長(zhǎng)×寬×高），所建立的數(shù)值模型如圖4所示。模型的邊界條件：頂部為自由邊界，底部邊界固定，其余面受水平位移約束，上邊界施加相當(dāng)于460 m采深的11.25 MPa的應(yīng)力，X、Y方向施加初始水平應(yīng)力為5.62 MPa。

3.2 條帶煤柱內(nèi)支承壓力分布規(guī)律

待數(shù)值模型建立及賦值計(jì)算后，首先模擬1308工作面、1310上工作面、1312上工作面開(kāi)采，形成條帶煤柱，因1310回采巷道布置在1308工作面與1310上工作面之間條帶煤柱中，所以分析煤柱上應(yīng)力分布規(guī)律，找到低應(yīng)力存在區(qū)域，為下一步不同寬度區(qū)段煤柱留設(shè)實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)，1308工作面及1310上工作面之間條帶煤柱支承壓力分布曲線如圖5所示。

3.3 不同煤柱寬度圍巖應(yīng)力分布

為了保證將煤柱布置于支承壓力較低區(qū)域，以便減少煤柱變形破壞，保證煤柱內(nèi)部較完整，有助于錨桿發(fā)揮其有效的錨固作用，從而保證巷道使用期間穩(wěn)定，初步設(shè)計(jì)條帶煤柱下工作面4種不同區(qū)段煤柱尺寸進(jìn)行對(duì)比分析，區(qū)段煤柱留設(shè)寬度方案：4，5，8，15 m，條帶煤柱下工作面掘巷期間煤柱的垂直應(yīng)力分布云圖如圖6所示。

對(duì)不同尺寸區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力分布云圖可知，當(dāng)煤柱寬度小于5 m時(shí)，煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力整體較小，應(yīng)力峰值小于初始應(yīng)力；當(dāng)煤柱寬度在5~8 m時(shí)，軌道平巷兩側(cè)圍巖壓力較小，近區(qū)段煤柱側(cè)壓力小于近實(shí)體煤側(cè)壓力，支承壓力峰值出現(xiàn)在近實(shí)體煤側(cè)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力雖然大于初始應(yīng)力，但應(yīng)力集中程度不嚴(yán)重，應(yīng)力集中系數(shù)為1.08~1.39；當(dāng)煤柱寬度在8~15 m時(shí)，支承壓力峰值出現(xiàn)在區(qū)段煤柱中，煤柱內(nèi)支承壓力整體較大，應(yīng)力集中系數(shù)為1.87~2.69，易積聚大量的彈性能，并且軌道平巷兩側(cè)圍巖壓力較大。通過(guò)煤柱內(nèi)及巷道兩側(cè)應(yīng)力分布規(guī)律可知，當(dāng)煤柱寬度大于8 m時(shí)軌道平巷兩側(cè)均承受高支承壓力，隨著煤柱寬度的增大，內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)也逐漸變大，應(yīng)力峰值達(dá)到30.5 MPa，不利于沖擊災(zāi)害的防治和巷道支護(hù)。因此，以煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布規(guī)律來(lái)分析煤柱寬度應(yīng)小于8 m。

3.4 不同煤柱寬度塑性區(qū)分布

沿工作面傾斜方向進(jìn)行剖面，可以得到設(shè)置不同尺寸區(qū)段煤柱時(shí)塑性破壞區(qū)分布情況，不同尺寸區(qū)段煤柱塑性破壞區(qū)分布如圖7所示。

從圖7的分析可以看出，當(dāng)煤柱寬度為4 m時(shí)，受1308采動(dòng)后覆巖運(yùn)動(dòng)的影響，煤柱經(jīng)歷了塑性變形，這種破壞類型是剪切破壞，破壞區(qū)域覆蓋了整個(gè)煤柱，此外巷道周圍的巖石破損嚴(yán)重，并發(fā)生內(nèi)部變形，并且以剪切破壞為主伴隨著局部拉伸破壞。當(dāng)煤柱尺寸為5~8 m的情況下，整個(gè)煤柱發(fā)生塑性破壞，煤柱依靠峰后殘余強(qiáng)度支撐覆巖，減弱了巷道周圍的破損，并減少了巷道變形。通過(guò)對(duì)不同煤柱尺寸塑性破壞的分析可知，當(dāng)區(qū)段煤柱尺寸為4 m時(shí)，煤柱破壞嚴(yán)重，對(duì)覆巖的支撐能力大幅度下降，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重，難以支護(hù)；煤柱寬度為8~15 m時(shí)雖產(chǎn)生彈性區(qū)，但對(duì)頂板的支撐作用與5~8 m煤柱時(shí)的作用相差無(wú)幾，彈性區(qū)域的增加有利于能量積聚，易引起沖擊地壓災(zāi)害。綜合理論分析、不同煤柱寬度圍巖應(yīng)力分布及不同煤柱寬度塑性區(qū)分布結(jié)果可知，遺留煤柱下工作面合理區(qū)段煤柱寬度為5 m。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)理論計(jì)算遺留條帶煤柱中內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的范圍為7.07 m，護(hù)巷煤柱寬度小于內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)時(shí)承載的壓力較小。

（2）通過(guò)對(duì)不煤柱寬度應(yīng)力分布情況分析可知，當(dāng)煤柱寬度小于5 m時(shí)，煤柱整體垂直應(yīng)力較小，應(yīng)力峰值小于模型初始應(yīng)力；當(dāng)煤柱寬度在5~8 m時(shí)，巷道兩側(cè)圍巖壓力較小，近煤柱側(cè)小于近實(shí)體煤側(cè)；當(dāng)煤柱寬度在8~10 m時(shí)，煤柱內(nèi)支承壓力較大，易導(dǎo)致彈性應(yīng)變能的積累，并且巷道兩側(cè)圍巖壓力較大。

（3）通過(guò)對(duì)不同煤柱寬度塑性破壞情況分析可知，煤柱尺寸為4 m時(shí)，煤柱破壞嚴(yán)重，對(duì)覆巖的支撐能力大幅度下降，導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重，難以支護(hù)；煤柱寬度為8~10 m時(shí)雖產(chǎn)生彈性區(qū)，但對(duì)頂板的支撐作用與5~8 m煤柱時(shí)的作用相差無(wú)幾，彈性區(qū)域的增加有利于能量積聚，易引起沖擊地壓災(zāi)害。通過(guò)本研究可知，在遺留條帶煤柱下留設(shè)5 m的區(qū)段煤柱可保證工作面的安全回采。