淺埋煤層孤島工作面區段煤柱寬度優化

張 杰，白文勇，王 斌，吳建軍，何義峰，康小杰

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安710054；3.山西大同大學 煤炭工程學院，山西 大同 037000)

0 引 言

煤柱留設作為傳統的護巷方法，在礦井生產中廣泛使用，但往往因煤柱寬度留設不合理導致煤柱損失高達10%～30%[1]。淺埋煤層工作面回采巷道多采用雙巷布置，其巷間煤柱留設寬度為8～25 m[2]。張杰等通過對南梁礦淺埋煤層工作面20 m區段煤柱現場應力監測結果分析得到，在回采過程中該區段煤柱應力變化不明顯，未達到破壞強度，煤柱留設寬度具有一定優化空間[3]。孤島工作面因受到不同方向支承壓力的迭加，應力更加集中，礦壓顯現明顯，而淺埋煤層工作面具有“埋藏淺，壓力大”的特點[4]，在兩者共同作用下進一步加劇了工作面礦壓顯現，常在回采過程中工作面及回采巷道附近出現應力集中程度大、頂板運動劇烈，容易片幫、巷道變形較大等一系列現象，而孤島工作面區段煤柱不僅需要為上區段回采服務，還需要為本區段回采服務，其受采動及相鄰采空區殘余應力影響，相較于常規煤柱壓力顯現更為明顯[5-6]。因此，合理的區段煤柱尺寸是維護淺埋煤層孤島工作面回采巷道穩定的關鍵，也是指導工作面安全高效產出的重要保障，具有重要的現實意義[7-9]。在結合現有煤柱留設理論[10-15]基礎上，深入分析淺埋煤層孤島工作面在采掘活動期間覆巖結構演變，區段煤柱內應力的動態效應以及其對巷道維護的影響規律，優化區段煤柱寬度。

1 工程概況

南梁礦30101-1工作面地面位于南梁礦井田西南角、小則溝北側、小蒜溝煤礦東側。30101-1工作面井下位于3-1煤層中央回風大巷西側，30101工作面南側，3-1煤層治理區北側(治理區已開采)。當3-1煤層30101工作面回采結束后，就使得相鄰30101-1工作面形成了孤島工作面，工作面布置如圖1所示。

圖1 區域平面Fig.1 Panel layout

30101工作面以及相鄰30101-1工作面賦存條件變化不大，平均埋深120 m，工作面煤層厚度1.8～2.03 m，平均厚度2 m，傾角1°～3°，工作面傾向長度為150 m，采用綜合機械化工藝回采，采區工作面回采巷道布置方式為雙巷布置，地層綜合柱狀圖如圖2所示。

圖2 地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram

2 區段煤柱覆巖結構及應力演變特征

2.1 區段煤柱覆巖結構演變特征

保證巷道圍巖及煤柱穩定必須以分析整個采掘活動期間覆巖運動與礦山壓力顯現關系為前提[16]。整個采掘活動期間，區段煤柱上方圍巖結構變形主要發生在雙巷掘進期、上區段回采期、本區段回采期，各時期上覆巖層運動特征有所不同。

2.1.1 雙巷掘進期(內層人工支護圍巖小結構的形成期)

根據南梁礦現場生產實際生產情況分析可知，工作面30101-1上覆巖體大結構在巷道掘進前巷道外部力學環境沒有發生大的變化，巷道圍巖沒有受到開采擾動。在回采巷道掘進階段，由于掘進活動發生在遠離大結構的下方煤體中，因此，掘進活動對上覆巖層的擾動未能對大結構穩定性產生影響。在此階段，回采巷道圍巖變形的主要原因是由于回采巷道掘進后引起圍巖應力重新分布所導致的。采掘活動引起的應力重新分布主要發生在淺部圍巖巷道內，在大結構下，巷內支護、區段煤柱構成新掘進圍巖支護小結構，以適應新的力學環境和頂板運動產生的載荷變化，結構如圖3所示。

圖3 掘進后區段煤柱與上覆巖體結構Fig.3 Structure between section coal pillar and overlying rock mass after tunnelling

因此，此階段區段煤柱力學參數及設計寬度是減小直接頂在該時期應力活動時間，適應外層結構力學變化的主要因素。

2.1.2 上區段回采期(外層直角三角板大結構形成期)

上區段回采對本區段回采巷道上方側向巖層的影響主要發生在采動后上區段采空區靠近本區段煤柱(邊緣區)上覆巖層的運動。該階段前期，本區段煤柱(邊緣區)上覆各巖梁自下而上以回轉下沉為主，此階段前期老頂來壓強度相對較小。階段后期，隨著工作面持續推進老頂巖層發生周期破斷，巖塊A在回轉力矩m和m′的共同作用下向上區段采空區發生一定程度的回轉下沉，巖塊B向上區段采空區發生較大程度的回轉下沉，這種結構運動和圍巖的不穩定狀態將造成巷道圍巖應力的再次重新分布，致使大結構形成較穩定的三角板結構[17-18]。因此，在此階段區段煤柱需要承載來自直接頂的載荷及懸臂部分巖塊的載荷，煤柱垂直應力呈單側“單峰”分布，如圖4所示。

圖4 上區段回采后區段煤柱與上覆巖體結構Fig.4 Structure between section coal pillar and overlying rock mass after previous working face mining

2.1.3 本區段開采期(外層對稱三角板大結構形成期)

由于老頂巖塊破斷發生在回采工作面采空區內，此處區段煤柱及回采巷道均處于本區段工作面后方。老頂巖層破斷后長邊破斷線直接與原有關鍵塊溝通，巖塊A在回轉力矩m和m′共同作用下向本區段發生較大程度回轉下沉，巖塊B向本區段發生一定程度回轉下沉。因此，區段煤柱需要承載來自直接頂的載荷、上區段懸臂部分的靜態載荷以及本區段工作面后方老頂破斷產生的動態載荷，煤柱垂直應力受兩側工作面回采影響支承應力發生疊加呈“雙峰”分布，如圖5所示。

圖5 本區段回采后區段煤柱與上覆巖體結構Fig.5 Structure between section coal pillar and overlying rock mass after the face mining

上述3個時期中，掘巷和回采時期的巷道圍巖應力來源不同。巷道掘進時期圍巖應力集中是處于小范圍的，而在區段回采時期巷道圍巖應力集中主要來自于上覆巖層破斷后外部力學環境的變化，其影響程度遠大于巷道掘進時期引起的圍巖應力集中和重新分布，但是由于覆巖結構中各巖塊間的支承條件并沒有發生改變，因此其仍會保持隨機的穩定結構，不同的則是巖塊之間的受力情況發生改變。

因此，只要煤柱留設及支護參數合理，巷道淺部圍巖將會形成穩定的小結構，保證其在采掘活動期間不會受到破壞。

2.2 不同尺寸區段煤柱支承壓力演化特征

從巖梁中部破壞開始到巖塊沉降運動結束，覆巖運動在工作面傾向方向和走向方向在時間上是同步的，故在這2個方向上上覆巖層運動所造成的支承壓力顯現和運動規律也是同步的。隨著工作面的推進，臨近煤層支承壓力的分布在開采強度及煤層強度相異的條件下大致可劃分為3種，單一彈性分布(a)、開始出現塑性區破壞的分布(b)以及破壞深入煤壁內部而出現的有明顯內、外應力場的分布(c)，如圖6所示。

圖6 不同階段支撐壓力分布Fig.6 Support pressure distribution in different stages

當煤柱兩側均為采空區時，煤柱出現對稱的應力區變化，可根據煤柱應力變化大小將煤柱由外之內劃分為3個應力區：破裂區、塑性區、彈性應力增加區，其應力分布特征如圖7所示。

Ⅰ-破裂區；Ⅱ-塑性區；Ⅲ-彈性應力增加區圖7 區段煤柱內部應力分布特征Fig.7 Stress distribution characteristics in section coal pillar

區段煤柱寬度留設不僅決定了工作面相互之間的位置關系，而且還對區段煤柱的承載能力以及穩定性有重要的影響。由上述分析可知，隨著煤柱寬度B不斷減小，煤柱彈性區寬度也隨之不斷減小，當煤柱留設寬度小于煤柱兩側塑性寬度之和時，即B≤2x0，煤柱不存在彈性區，其完全處于塑性不穩定狀態。因此，煤柱中部存在一定寬度的彈性區是保證煤柱穩定的基本條件，其寬度一般認為至少為1～2倍煤柱高度hm。

由此可知，煤柱保持穩定的條件是

B≥2x0+(1～2)hm

(1)

式中B為煤柱寬度，m；x0為塑性區寬度，m；hm為采高，m。

3 區段煤柱塑性區寬度計算

3.1 WILSON A H兩區約束理論

根據威爾遜煤柱理論確定煤柱內塑性區、彈性區范圍的方法可知，煤柱應力峰值位置作為煤柱單元彈、塑性狀態分界點，煤柱兩側應力狀態在破壞包絡線外發生塑性破壞，應力向煤柱中線區域轉移，由加載實驗結果可知，煤柱高度、煤層埋深是決定區段煤柱塑性區寬度的重要參數，其三者關系表達式為[19]

x0=0.004 92H*hm

(2)

式中H*為等效埋深，m；hm為采高，平均為2 m。

30101-1工作面為淺埋煤層孤島工作面，區段煤柱不僅需要承受來自直接頂的重量還需分擔采空側覆巖荷重，其煤體中應力大于常規工作面，因此，在使用威爾遜煤柱理論計算時應當將載荷增加部分簡化為等效采深，進而計算煤體塑性區寬度。

(3)

式中B為區段寬度，取150 m；δ為采空區上覆巖層跨落角，65°；H為平均埋深，取120 m。

由上式可知，H*為223 m，hm為2.19 m。

3.2 極限平衡理論

極限平衡理論的基本假設是頂板、底板節理面上的剪應力和正應力與處于極限平衡區內的煤柱需滿足摩爾-庫倫破壞準則，忽略煤柱內單元體側向約束應力，塑性區寬度計算表達式為[20]

(4)

式中hm為采高，平均約2 m；H為埋深，取120 m；C為內聚力，1.28 MPa；φ為內摩擦角，34.2°；γ為上覆巖層平均體積力，25 kN/m3；K為回采應力集中系數，孤島工作面K值大于常規工作面[21]，根據經驗取2.5；錨桿對煤幫的阻力pi為0.55；λ為側壓系數，μ為泊松比，取0.29。

由式(2)和式(4)計算煤柱塑性區寬度，x0分別為2.4，3.24 m。因此，結合礦井相鄰工作面生產實際情況及上述2種公式理論計算結果綜合分析該區段煤柱塑性區理論計算值不小于3 m，區段煤柱臨界寬度理論計算值不小于10 m。

4 區段煤柱穩定性數值模擬

4.1 模型建立

為進一步分析區段煤柱破壞特征，確定不同尺寸區段煤柱穩定性，根據南梁煤礦30101和30101-1綜采工作面實際地質條件及主要開采參數，采用FLAC3D5.0數值模擬軟件建立相應計算模型，如圖8所示，模型尺寸為380 m×135 m×380 m，模型在x軸和y軸方向施加水平約束。

圖8 數值模擬模型Fig.8 Numerical simulation model

計算模型采用彈塑性本構模型，摩爾庫倫破壞準則，各巖層物理力學參數見表1。整個模擬過程為：建立模型→計算平衡→雙巷掘30101運輸順槽與30101-1回風順槽(第1次擾動)→計算平衡后回采30101工作面(第2次擾動)→計算平衡后回采30101-1工作面(第3次擾動)。

表1 巖體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks

由上述區段煤柱覆巖結構及應力演化特征分析可知，區段煤柱在覆巖結構運動的第3時期即外層對稱三角板大結構形成期，需要承受來自覆巖直接頂的重量、30101回采后懸臂部分的靜態載荷以及30101-1工作面后方老頂破斷產生的動態載荷，區段煤柱受開采擾動最大。因此，文中結合理論計算結果模擬區段煤柱寬度分別為8，10，12，15 m時，區段煤柱受開采第3次擾動下的應力分布、塑性區范圍以及巷道位移變化，為30101-1工作面區段煤柱尺寸的留設提供依據。

4.2 模擬結果分析

4.2.1 應力分布規律分析

當所建模型開挖至30101-1綜采工作面模型中部位置，且模型計算平衡后，截取30101-1綜采工作面前方30 m處的垂直應力切片以及塑性區切片，如圖9、圖11所示。

圖9 不同寬度煤柱垂直應力Fig.9 Vertical stress in different widths of coal pillar

從圖9、圖10綜合分析可以看出，當煤柱留設寬度為15 m時，靠近30101-1工作面采空區一側煤柱所受最大垂直應力約為3.0 MPa，煤柱靠近30101回風順槽一側邊緣所受最大垂直應力約為3.3 MPa，煤柱兩側位置都存在應力集中區域，中央位置存在原巖應力彈性區，彈性區寬度為12 m，而最大應力集中區位置靠近30101工作面一側；當煤柱留設寬度為12 m時，煤柱所受垂直應力有所增大，煤柱中央的原巖應力彈性區范圍減小，彈性區為9 m；當煤柱留設寬度為10 m時，煤柱所承載的最大垂直應力位于煤柱兩側位置，煤柱所受應力進一步增大，中央位置原巖應力彈性區范圍進一步減小，但仍存在4 m的彈性區；當煤柱留設寬度減小至8 m時，煤柱兩側邊緣位置垂直應力峰值將重疊，中央位置不存在原巖應力彈性區，而其載荷增大，煤柱所承載的垂直應力近似均勻分布，受上區段采動影響，區段煤柱將遭到破壞。

圖10 不同寬度煤柱應力Fig.10 Stress in different widths of coal pillar

基于上述分析，從有效支承面積及煤柱承載能力角度考慮，巷間煤柱尺寸為12 m。

4.2.2 塑性區分布規律分析

從圖11可以看出，當煤柱留設寬度為15 m時，煤柱兩側塑性區范圍約為2～3 m，靠近30101工作面采空區一側煤柱塑性區范圍略大于另一側，煤柱塑性區呈拱形分布；當煤柱留設寬度為12 m時，煤柱兩側塑性區范圍變化不大，煤柱中央彈性區由于煤柱尺寸減小而有所減小，彈性區占比為67%；為了保證煤柱在開采過程中保持穩定，彈性區占比應不低于60%[22]，而當煤柱留設寬度為10 m時，煤柱中央位置雖存在彈性區，但煤柱兩側塑性區范圍擴大，彈性區占比不足40%，煤柱失穩可能性較大；當煤柱留設寬度減小至8 m時，煤柱發生塑性區破壞，煤柱承載能力急劇下降。

圖11 不同寬度煤柱塑性區Fig.11 Plastic zone in different widths of coal pillar

4.2.3 巷道變形量分析

從圖12可以看出，當煤柱留設寬度由15 m減小至10 m時，巷道頂板變形量由5.2×10-3m增加至7.2×10-3m，巷道幫部變形量由7.5×10-3m增加至9.0×10-3m，巷道頂板及幫部變形量增加較為緩慢，但當煤柱留設寬度由10 m減少至8 m時，巷道頂板變形量由7.2×10-3m增加至9.4×10-3m，巷道幫部變形量由9.0×10-3m增加至1.4×10-2m，巷道頂板及幫部變形量激增。進一步分析可知，孤島工作面巷道圍巖變形量兩幫較大。當煤柱留設寬度由15 m減小至12 m時，巷道圍巖變形量逐漸增大，但整體趨勢相對穩定，巷道圍巖較為穩定，而煤柱留設寬度減小至8 m時，巷道圍巖變形量急劇增大，回采巷道圍巖穩定性較差。

圖12 不同寬度煤柱巷道圍巖變形Fig.12 Deformation of surrounding rock in different widths of coal pillar

通過上述對理論計算和數值模擬研究分析得出，當煤柱留設寬度為12 m時，30101-1區段煤柱塑性區破壞范圍較小，彈性區占比不低于60%，巷道圍巖變形量較小，區段煤柱較為穩定。

5 結 論

1)孤島工作面區段煤柱覆巖結構特征演化分為3個階段，雙巷掘進期、上區段回采期、本區段開采期，后2個階段引起的大結構運動對煤柱穩定性影響最大。

2)通過兩區約束理論和極限平衡理論對南梁礦3-1煤層30101-1孤島工作面區段煤柱寬度計算得出，該區段煤柱塑性區寬度不小于為3 m，煤柱理論寬度不小于10 m。

3)數值模擬結果表明，該區段煤柱寬度為15～12 m時，彈性區占比超過67%，煤柱塑性區破壞寬度2 m，巷道變形量不大，煤柱未發生失穩破壞；煤柱為10 m時，煤柱原巖應力彈性區受煤柱尺寸及開采擾動急劇縮小，彈性核區寬度為4 m，煤柱兩側塑性區破壞范圍擴大，塑性區占比超過60%，巷道變形量驟然增大，而煤柱為8 m時，煤柱已發生失穩破壞。

4)通過理論計算、數值模擬以及相鄰工作面區段煤柱留設情況，最終確定優化后的南梁煤礦30101-1孤島工作面區段煤柱寬度為12 m。