淺埋煤層孤島工作面合理區段煤柱寬度研究

張 宇 李煒博 楊少雄

（準格爾旗羊市塔村凱達煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017100）

凱達煤礦30206上孤島工作面受一次和二次采動影響，巷道圍巖破壞較為嚴重[1-2]，有必要對區段煤柱寬度選取進行專項研究。

1 工程概況

36306上孤島工作面位于三盤區，井田為向南西傾斜的單斜構造。工作面東臨36307上工作面采空區，北鄰輔運大巷，南部為實體煤，西臨36305上工作面采空區，如圖1。煤層直接頂為平均厚度8.17m的砂質泥巖，基本頂為平均厚度9.84m 的細砂巖，直接底為平均厚度9.84m 的砂質泥巖及泥巖。

圖1 36206上孤島工作面巷道位置圖

2 區段煤柱受力狀態分析

區段煤柱的穩定性變化主要受工作面一、二次開采擾動和巖體本身流變性影響[3]。受開采擾動影響區段煤柱從初期穩定到最終破壞過程中，煤柱內部的應力分布始終處于一個不斷變化的過程，煤柱內部的應力狀態分布主要體現在以下四個發展階段：（1）原始地應力分布階段；（2）一側開采應力分布階段；（3）兩側開采應力分布階段；（4）煤柱屈服應力分布階段。煤柱應力變化規律如圖2。

圖2 煤柱應力變化規律

同時，根據現場監測，6-2上煤層節理發育充分，當巷道方向和層理面平行時，巷道片幫嚴重、變形量較大、支護效果不佳。同樣，煤柱穩定性和層理方向相關性較大，不同地質條件煤柱失穩具有不同的形式。隨著煤柱的側面塑性破壞及采動影響發生剝落，煤柱實際承載面積減小，節理、內部裂隙發育將導致煤柱穩定性進一步降低，此時煤柱穩定性較差。因此，特別是在考慮孤島工作面區段煤柱穩定性時，安全系數應取最大值。區段煤柱破壞形式如圖3。

圖3 煤柱破壞形式

3 區段煤柱尺寸理論計算

確保區段煤柱有足夠的承載條件：煤柱上、下側產生塑性變形區寬度x0、x1后，煤體中央彈性核的寬度應不小于煤柱高度m的2 倍，煤柱寬度B應滿足B≥x0+xb+x1，xb是經驗數據，理論上，必須通過力學分析求出彈性核破壞的臨界寬度L1。設計留設區段煤柱的寬度應大于極限平衡條件下的區段煤柱寬度方可確保煤柱具有足夠的承載能力，如圖4。

圖4 區段煤柱寬度示意圖

區段煤柱保持穩定的寬度B為：

利用上述公式計算得出的區段煤柱寬度，僅考慮了工作面開采時的應力集中系數K和靜態載荷因素K′分別對區段煤柱穩定的影響，未考慮巷道自身掘進、工作面開采擾動以及時間效應等一系列動態因素對區段煤柱穩定性的影響，因而需要對該公式進行修正。

綜上所述，考慮掘進因子σ、開采擾動因子d對煤柱寬度的影響，參照經驗公式參數選取，將上式修改為：

式中：d為開采擾動影響因子，取3；α為掘進影響因子，取1.2。

區段煤柱上、下側塑性區寬度x0、x1分別為：區段煤柱彈性核臨界破壞寬度如式（4）為：

式中：x0、x1分別為區段煤柱兩側塑性破壞區的寬度，m；L1為區段煤柱彈性核寬度，m；m為煤柱高度，1.72 m；K、K′為彈性核與頂底板界面下兩側塑性破壞區交界面上的應力集中系數，分別取值2.5、3；C為煤的粘聚力，2.15 MPa；φ為內摩擦角，23°；C0為區段煤柱與頂底板界面之間的粘聚力，1500 kPa；φ0為區段煤柱與頂底板界面的內摩擦角，35°；γ為覆巖平均容重，25.5 kN/m3；H為煤層埋深，150 m；λ為塑性區與彈性區的側壓系數，取值0.30。

計算得x0=1.46 m，x1=1.27 m，L1=0.83 m。

把以上值代入式B1≥[L1+αd（x1+x0）] 計算得B1≥10.66 m。

綜上，初步確定煤柱寬度留設時，煤柱尺寸取15 m。

4 數值模擬分析

4.1 模型建立

為了確定區段煤柱的合理寬度，根據現場實際地質條件，建立了4 種區段煤柱計算模型，分別為5 m、10 m、15 m 和20 m。

模型模擬幾何尺寸： 長× 寬× 高=700 m×500 m×100 m。模型共劃分619 600 個單元，705 422 個節點。模型模擬2 號煤層厚度為2.61 m，煤層頂板60 m，底板40 m。模擬過程中分別考慮兩旁采空區影響，分析煤柱屈服破壞范圍大小、應力分布情況。模型示意圖如圖5。

圖5 孤島工作面區段煤柱示意圖

4.2 模擬結果

根據上述所建立的模型，僅改變不同區段煤柱尺寸，推測其煤柱穩定性較高，獲取最危險位置區段煤柱留設寬度，為36306上孤島工作面煤柱留設提供依據。5 m、10 m、15 m 和20 m 不同區段煤柱時，垂直應力云圖及塑性區如圖6。

圖6 孤島工作面不同區段煤柱模擬示意圖

從圖6 垂直應力分布和塑性區破壞規律不難看出，當區段煤柱為5 m 和10 m 時，受兩側采空區影響，孤島工作面巷道處于兩側工作面采空區應力降低區，有利于巷道布置，但此時區段煤柱已完全發生塑性破壞，巷道圍巖變形量較大。因此，如果掘進孤島工作面巷道時，至少應在兩側工作面停采12 個月左右，掘進時存在一定危險性，需采取一定的卸壓保護措施后方可掘進。當區段煤柱為15 m時，在煤柱兩側存在兩個明顯的應力集中區域，煤柱塑性破壞比例進一步減小，中部彈性核區未貫通，彈性核區寬度進一步增大，煤柱的承載能力也逐漸增大。根據經驗公式，當區段煤柱中部彈性核寬度大于或等于2 倍的煤層厚度時，區段煤柱將具有一定的承載能力保持巷道的穩定。彈性核寬度為6.7 m，巷道圍巖穩定性較好。當區段煤柱寬度由15 m 增至20 m時，應力集中區域逐漸向著采空區一側靠近，區段煤柱中部將不會出現大幅度應力升高，從而區段煤柱不再發生塑性破壞，雖然此時區段煤柱具有較高的承載能力，但其內部彈性核區寬度較大，過大的彈性核區造成了一定程度的資源浪費，不符合綠色開采的要求。

5 結論

以36306上孤島工作面為研究對象，理論計算了煤柱寬度，采用數值模擬法對煤柱塑性破壞、彈性核區寬度、煤柱上方頂板貫通程度進行分析，得出以下結論：

（1）理論計算區段煤柱寬度為10.66 m，考慮到錨桿支護及塑性區破壞范圍，確定36306上孤島工作面區段煤柱的合理留設尺寸為15 m。

（2）數值模擬結果可知，區段煤柱為15 m，彈性核區有6.7 m 符合彈性核區寬度最低條件；煤柱過大會造成資源浪費。結合周邊礦井孤島工作面區段煤柱留設經驗，確定本次孤島工作面區段煤柱寬度為15 m，可根據現場監測結果進行專項分析調整最終煤柱合理尺寸。