受斷層影響的深部工作面區段煤柱留設寬度研究

韓傳磊，左常清，趙燕席，王士朋

（汶上義橋煤礦有限責任公司，山東 濟寧 272500）

0 引言

合理的區段煤柱留設寬度對回采巷道維護、煤炭采出率以及沖擊地壓等動力災害的防治均有重要影響。煤柱尺寸留設不當，極易引起巷道應力集中，誘發沖擊地壓事故，嚴重制約煤礦的安全高效生產[1-4]。

針對區段煤柱留設問題，謝廣祥等[5]建立了煤柱彈塑性極限平衡力學模型，對煤柱支承壓力峰值分布規律進行了理論計算，為確定綜放回采巷道護巷煤柱的合理尺寸提供了方法；方新秋等[6]基于綜放工作面端頭頂板破斷特征，建立了采空側端頭三角塊結構力學模型，分析了三角煤失穩機理；伍永平等[7]建立了區段間圍巖失穩模型，研究了區段煤柱的應力分布規律和失穩破壞準則，確定了區段煤柱的合理尺寸。上述研究內容明確了煤柱沖擊的發生不僅與其應力狀態有關，同時也受覆巖結構特征的影響。

本文以山東義橋煤礦受斷層影響區段煤柱為例，分析了區段煤柱穩定性主控因素，采用理論分析、數值模擬等方法，確定了合理的區段煤柱留設寬度。

1 煤柱概況

受DF20 斷層影響，義橋煤礦3804 工作面與3604 采空區之間需留設一定寬度的區段煤柱。煤柱沿DF20 斷層走向布置，區段煤柱范圍內無褶曲構造，煤柱底板標高-740—-810 m。區段煤柱周邊工作面布置如圖1 所示。

圖1 區段煤柱位置Fig.1 Position of section coal pillar

受DF20 斷層影響，區段煤柱留設寬度較大，3804 工作面開采后，區段煤柱兩側會形成較大的采動空間，煤柱應力集中程度大幅增加。且隨著3804 工作面推進距離的增加，工作面上方區域部分垂直應力向兩工作面間的區段煤柱內部轉移，造成斷層構造應力與回采工作面側向支承壓力的疊加，增加了區段煤柱的沖擊風險。

2 區段煤柱穩定性影響因素分析

2.1 開采深度影響

隨著開采深度增加，原巖應力相應增大，煤層開采后，引起采空區邊緣側向支承壓力相應增加。在煤體抗壓強度一定的情況下，較高的原巖應力作用下，容易造成煤柱塑性區范圍不斷增大。

表1 給出了區段煤柱處原巖應力與煤體強度比值。可以看出，原巖應力與煤體強度的比值大于1，且為10 以上，可知原巖應力已超過煤體強度，埋深對煤柱穩定性影響較大。

表1 區段煤柱處原巖應力與煤體強度比值Table 1 Ratio of original rock stress to coal strength at coal pillar

2.2 斷層構造

根據一般經驗，斷層是誘發采掘工作面沖擊地壓的主要影響因素。3804 工作面與3604 工作面間區段煤柱受斷層構造應力的影響，加之煤柱受3604 工作面采空區側向支承壓力的影響，隨著3804 工作面推進距離的增加，可能造成斷層構造應力與回采工作面側向支承壓力的疊加，增加區段煤柱的沖擊風險。

2.3 煤厚影響

一般而言，相同條件下，煤層越厚，巷道圍巖積聚彈性能并劇烈釋放的可能性越大，沖擊地壓風險程度越高。工作面所采的3 煤層厚0.98～7.62 m，平均3.49 m，厚度變化系數46.02%。工作面開采后，區段煤柱兩側會形成較大的采動空間，煤柱應力集中程度大幅增加，其中3804 工作面軌道順槽外側與3604 工作面間區段煤柱受兩側采空區影響，應力疊加程度更高。因此，煤層厚度對區段煤柱穩定性有較大影響。

3 基于采動影響的區段煤柱穩定性分析

3.1 區段煤柱穩定性理論分析

煤體開采破壞后，承載能力下降，應力集中的位置向深部轉移，集中應力轉移的結果可能使內部一定范圍內的煤體遭到破壞。隨著深度的增加，煤體受力狀態逐漸由二向轉為三向，抗壓強度逐漸提高，煤體的破壞程度將越來越小，最后在內部某一位置煤體的強度和集中應力達到平衡，這個位置范圍內的煤體均處于極限平衡狀態，稱為極限平衡區。對于極限平衡區，建立極限平衡方程：

式中：f 為層面間的摩擦系數；φ1為頂底板與煤層間的摩擦角，（°）；m 為采高，m；σy為垂直應力（即支承壓力），MPa；σx為水平應力，MPa。

根據極限平衡區的條件，有：

式中：Rc為煤的單軸抗壓強度，MPa；φ為煤的內摩擦角，（°）。

將式（3） 代入式（1） 中，求解可得：

當x=0，時σy=Rc*時，

式中：Rc*為煤幫的支撐能力（煤壁受壓后的殘余強度），MPa。

原巖應力為γH，設最大集中應力系數為k，煤壁至支承應力峰值的距離為x0，則有：

煤柱保持穩定性寬度B 為：

式中：R、x0分別為煤柱兩側塑性區寬度，x0=R，可根據式（8） 計算獲得，表2 中給出了相應的計算參數；L 為煤柱中部彈性區寬度，根據以往經驗，煤柱中部彈性區寬度通常大于或等于2 倍的煤層厚度，因此，L≥6.98 m。

表2 區段煤柱計算參數Table 2 Calculation parameters of section coal pillar

根據上述分析，可以計算得到煤柱寬度。考慮1.5 倍的安全系數，最終理論計算得到煤柱寬度至少為20.46 m，詳見表3。

表3 區段煤柱理論計算寬度Table 3 Theoretical calculation width of section coal pillar

3.2 煤柱應力分布數值分析

采用數值模擬方法，模擬工作面回采期間圍巖應力及塑性區分布，確定合理的區段煤柱留設寬度。

3.2.1 模型建立

三維數值模型傾向寬550 m，走向長900 m，模型高80 m，模型兩側施加固定邊界，模型底部施加固定邊界，數值模擬中煤柱寬度為70 m，以接觸面單元模擬在兩工作面之間的斷層。工作面埋深為800 m，由σy=γh，γ 取2.5×104N/m3，則相應的原巖應力取20 MPa。

3.2.2 模擬結果分析

不同推進距離下區段煤柱側向支承壓力分布和塑性區分布如圖2、圖3 所示。

圖2 不同推進距離下區段煤柱側向支承壓力分布曲線Fig.2 Distribution curve of lateral abutment pressure of section coal pillar under different advancing distance

圖3 不同推進距離下塑性區分布圖Fig.3 Distribution of plastic zone under different advancing distances

分析圖2、圖3 可以看出，3804 工作面在不同推進距離下區段煤柱應力變化情況類似于馬鞍形分布（兩邊高，中間低）。

（1） 隨著3804 工作面推進距離的增加，靠近3604 采空區一側的區段煤柱受影響較小，煤柱在距3604 采空區22 m 左右的位置達到峰值，應力峰值在50 MPa 左右；受3804 工作面回采影響，3804工作面一側煤柱應力峰值距該工作面約15 m，峰值應力隨采動空間的增加而增加。

（2） 隨著3804 工作面推進距離的增加，在距3604 采空區29～48 m 的位置，3804 工作面區段煤柱的應力最小，為20～24 MPa。

（3） 隨著3804 工作面推進距離的增加，區段煤柱上方煤柱應力逐漸增加。當工作面回采50 m時，區段煤柱峰值應力約27.6 MPa（原巖應力約20 MPa），距離3804 工作面采空區約15 m，煤柱原巖應力區范圍約19 m；當工作面回采150 m 時，區段煤柱峰值應力約33.4 MPa（原巖應力約20 MPa），距離3804 工作面采空區約15 m，煤柱原巖應力區范圍約18 m。

根據以往經驗，在煤柱中部的彈性區寬度L 通常應大于或等于2 倍的煤層厚度。根據數值模擬結果，3804 工作面區段煤柱兩側最大塑性區寬度分別為8 m 和10 m，煤柱原巖應力區范圍約20 m，大于2 倍的煤層厚度（平均煤厚3.49 m）。根據數值模擬結果，煤柱寬度在40 m 時能夠保持穩定。考慮到現場情況的復雜性，在數值模擬計算結果的基礎上，乘以1.5 的安全系數，建議煤柱寬度應為60 m 左右。

3.3 現場微震監測數據分析

為了進一步確定區段煤柱合理寬度，對3604工作面回采期間微震監測數據進行分析，進而評估3804 工作面回采期間側向支承壓力影響范圍。3604 工作面回采期間微震監測數據分布如圖4 所示。可以看出，3604 工作面回采期間，靠近斷層區域微震事件能量均較低，工作面側向支承壓力影響范圍約為20 m。據此，考慮兩側工作面對煤柱的影響，可以近似確定區段煤柱留設寬度至少應為50 m。

圖4 微震事件分布Fig.4 Distribution of microseismic events

4 結論

（1） 根據義橋煤礦3804 工作面地質和開采技術條件，分析確定影響該工作面區段煤柱穩定性的關鍵因素為埋深、斷層構造和煤層厚度。

（2） 結合3804 工作面實際條件，首先通過理論建模計算得出該工作面區段煤柱保持穩定的最小寬度為20.46 m；采用數值模擬方法，考慮工作面采動影響確定合理的區段煤柱留設寬度至少為60 m；根據臨近的3604 工作面回采期間的微震監測結果，分析得出區段煤柱保持穩定的寬度至少為50 m。綜合理論分析、數值模擬及現場監測結果，確定3804 工作面合理的區段煤柱留設寬度應為60 m。