斷層影響下區(qū)段煤柱合理寬度研究

姜良金，逯英棋，張 朋，周均忠

（1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東新河礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272400）

合理寬度的區(qū)段煤柱留設(shè)對(duì)于保護(hù)回采巷道、防治沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害意義重大[1-2]。針對(duì)區(qū)段煤柱合理寬度，國內(nèi)外學(xué)者已有大量研究。王博等針對(duì)深部工作面因借鑒淺部煤柱設(shè)計(jì)而導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)頻繁、劇烈的問題，研究了深部寬區(qū)段煤柱誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理，提出了深部寬區(qū)段煤柱防沖治理措施[3]。涂敏等基于極限平衡理論，分析了影響區(qū)段煤柱寬度的內(nèi)部參量，提出了煤柱合理寬度的控制對(duì)策[4]。王志強(qiáng)等構(gòu)建了寬煤柱彈性區(qū)應(yīng)力疊加力學(xué)模型，分析出寬煤柱不同形態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律[5]。劉金海等從沖擊地壓防治、采空區(qū)內(nèi)殘煤自燃等次生災(zāi)害控制及錨桿支護(hù)的有效性3 個(gè)角度綜合考慮，確定區(qū)段煤柱的合理寬度[6]。

以上關(guān)于區(qū)段煤柱合理寬度及控制技術(shù)的研究多是基于常規(guī)地質(zhì)條件，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下區(qū)段煤柱的研究相對(duì)較少，尤其是對(duì)于斷層影響下的區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的研究較少。生產(chǎn)實(shí)踐表明，工作面布置在斷層附近時(shí)，強(qiáng)礦壓現(xiàn)象顯現(xiàn)頻繁，沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害頻發(fā)[7-8]。大量研究表明，在構(gòu)造應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力等綜合應(yīng)力疊加影響下，煤柱應(yīng)力環(huán)境更為復(fù)雜[9-10]。

鑒于此，本文以山東新河煤礦730 采區(qū)受斷層影響工作面區(qū)段煤柱為例，采用理論計(jì)算、工程類比及數(shù)值分析綜合研究方法，對(duì)斷層影響下深部高應(yīng)力區(qū)段煤柱的合理寬度進(jìn)行探討。

1 概 況

山東新河煤礦主采3 煤層，煤層厚度8.24 ~9.88 m，采用綜采放頂煤工藝開采。在730 采區(qū)賦存有1 條落差為0~25 m 的FF43 斷層，斷層西北側(cè)為已采完的7311 和7312 采空區(qū)，東南側(cè)設(shè)計(jì)布置7313 工作面。為確保7313 工作面安全生產(chǎn)，同時(shí)盡可能提高煤炭資源回收率，設(shè)計(jì)在7313 工作面與7312 采空區(qū)之間留設(shè)一定寬度的區(qū)段煤柱。圖1 為煤柱附近鉆孔柱狀圖。

圖1 鉆孔柱狀圖Fig.1 Borehole histogram

FF43 斷層與7313 工作面走向基本一致，區(qū)段煤柱沿FF43 斷層走向布置，區(qū)段煤柱范圍內(nèi)無褶曲構(gòu)造，煤層底板標(biāo)高-950—-1 060 m，地面標(biāo)高為+35.38—+36.29 m，如圖2 所示。

圖2 區(qū)段煤柱位置示意Fig.2 Location of section coal pillar

2 基于采動(dòng)影響的區(qū)段煤柱穩(wěn)定性分析

2.1 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性理論分析

煤層開采后，采空區(qū)側(cè)向煤體力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化。兩側(cè)采空條件下，煤柱保持穩(wěn)定的寬度B為：

式中：x1、x3為極限平衡區(qū)寬度，即Ⅰ-破碎區(qū)與Ⅱ-塑性區(qū)（圖3） 寬度之和，m；x2為Ⅲ-彈性區(qū)（圖3） 寬度，m。

圖3 區(qū)段煤柱應(yīng)力分布狀態(tài)Fig.3 Stress distribution state of section coal pillar

極限平衡區(qū)寬度計(jì)算采用公式（2） 計(jì)算：

式中：M為煤厚，取8.85 m；φ為摩擦角，取28°；f為煤層與頂?shù)装彘g的摩擦系數(shù)，f取0.16；K為最大應(yīng)力集中系數(shù)，取3；γ 為覆巖平均容重，取25 000 N/m3；H為開采深度，取1 126 m；τ0為內(nèi)聚力，取5 MPa。

代入各參數(shù)得，x1=x3=28.9 m。彈性區(qū)寬度取2倍的采高，即x2=17.7 m。由此可得，無斷層構(gòu)造應(yīng)力影響下，煤柱保持穩(wěn)定的寬度?？紤]斷層構(gòu)造及工作面開采擾動(dòng)的影響，為該結(jié)果賦予1.2 的安全系數(shù)。基于上述分析，認(rèn)為區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的寬度B=75.5 m 至少應(yīng)為90 m。

2.2 現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為進(jìn)一步確定區(qū)段煤柱合理寬度，選取與7313 工作面地質(zhì)及開采技術(shù)條件類似的7312 工作面回采期間的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此分析7312 工作面回采期間側(cè)向支承壓力影響范圍，進(jìn)而通過工程類比方法確定區(qū)段煤柱寬度。

圖4 為7312 工作面2021 年5 月25 日至9 月30 日回采期間采空區(qū)煤柱側(cè)微震事件平面投影。分析微震事件分布可知，7312 工作面回采期間采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響范圍約為33 m。因此，近似推斷7313 工作面回采期間采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響范圍約33 m?？紤]兩側(cè)工作面對(duì)煤柱的影響，近似確定區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為66 m。

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

2.3 煤柱應(yīng)力分布數(shù)值分析

綜合理論計(jì)算和工程類比，為保證煤柱穩(wěn)定性，初步確定區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度為90 m。在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析的方法，研究工作面回采期間該留設(shè)寬度條件下煤柱內(nèi)部應(yīng)力變化規(guī)律，進(jìn)一步驗(yàn)證該留設(shè)寬度的合理性。

2.3.1 模型建立

模型考慮了大范圍采空區(qū)及FF43 斷層的影響，三維數(shù)值模型傾向?qū)?50 m，走向長900 m，模型高80 m，設(shè)計(jì)區(qū)段煤柱寬度90 m，模型兩側(cè)及底部施加固定邊界，以接觸面單元模擬斷層。工作面埋深為1 000 m，原巖應(yīng)力取25 MPa。數(shù)值計(jì)算模型如圖5 所示，模型中各煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

圖5 數(shù)值計(jì)算模型Fig.5 Numerical calculation model

2.3.2 模擬結(jié)果分析

不同推進(jìn)距離下區(qū)段煤柱側(cè)向支承壓力分布曲線如圖6 所示。

圖6 不同推進(jìn)距離下區(qū)段煤柱側(cè)向支承壓力分布曲線Fig.6 Distribution curve of lateral abutment pressure in coal pillar at different advancing distance

分析圖6 可以看出，7313 工作面在不同推進(jìn)距離下區(qū)段煤柱應(yīng)力變化情況類似于馬鞍形分布（兩邊高，中間低）。

（1） 隨著7313 工作面推進(jìn)距離的增加，靠近7311 和7312 采空區(qū)一側(cè)煤柱受影響較小，煤柱應(yīng)力在距7312 采空區(qū)20 m 左右的位置達(dá)到峰值，應(yīng)力峰值約71 MPa；受7313 工作面回采影響，7313工作面一側(cè)煤柱應(yīng)力峰值距該工作面約15 m，峰值應(yīng)力隨采動(dòng)空間的增加而增加。

（2） 隨著7313 工作面推進(jìn)距離的增加，在距7312 采空區(qū)42~46 m 的位置，煤柱應(yīng)力最小，在20~26 MPa。

（3） 隨著7313 工作面采動(dòng)空間的擴(kuò)大，區(qū)段煤柱上方煤柱應(yīng)力逐步增加。當(dāng)工作面回采100 m時(shí)，煤柱峰值應(yīng)力約34.9 MPa，距離7313 工作面采空區(qū)約12 m，煤柱原巖應(yīng)力區(qū)范圍約28 m；當(dāng)工作面回采300 m 時(shí)，煤柱峰值應(yīng)力約42 MPa，距離7313 工作面采空區(qū)約14 m，煤柱原巖應(yīng)力區(qū)范圍約26 m；當(dāng)工作面回采500 m 時(shí)，煤柱峰值應(yīng)力約49 MPa，距離7313 工作面采空區(qū)約16 m，煤柱原巖應(yīng)力區(qū)范圍約17 m；當(dāng)工作面回采700 m時(shí)，煤柱峰值應(yīng)力在62.5 MPa 之間，距離7313 工作面采空區(qū)約16 m，煤柱原巖應(yīng)力區(qū)范圍約14 m。由上述分析可知，區(qū)段煤柱兩側(cè)塑性區(qū)最大寬度分別為20 m 和18 m。煤柱中部彈性區(qū)寬度取兩倍的煤層采高19 m，則煤柱寬度應(yīng)為57 m。鑒于現(xiàn)場工程條件的復(fù)雜性，予以該結(jié)果1.2 倍的安全系數(shù)，即煤柱保持穩(wěn)定的寬度為69 m。因此認(rèn)為，煤柱寬度為90 m 時(shí)，可以保持穩(wěn)定。

3 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性控制方案

眾多研究表明，控制煤柱穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于能否有效降低煤柱應(yīng)力集中程度。工作面的回采活動(dòng)導(dǎo)致煤柱上方形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)是造成煤柱應(yīng)力集中的主要原因。為解決區(qū)段煤柱承壓較高引起的臨近巷道變形破壞等問題，提出高位巖層斷頂卸壓方案，降低高位巖層傳力能力。

根據(jù)巖層控制的關(guān)鍵層理論，確定煤層上方37.7 m 存在厚度為17.7 m 的堅(jiān)硬中砂巖為關(guān)鍵層。圖7 給出了高位巖層斷頂卸壓情況，設(shè)計(jì)在7313工作面軌道順槽內(nèi)沿工作面走向每隔10 m 施工一組扇形斷頂孔，爆破斷頂鉆孔參數(shù)見表2。

表2 爆破斷頂鉆孔參數(shù)Table 2 Parameters of blasting broken roof drilling

4 結(jié) 論

（1） 基于理論計(jì)算和工程類比確定了斷層影響下的區(qū)段煤柱合理寬度。理論計(jì)算得出，煤柱合理寬度約為90 m；工程類比得出，煤柱合理寬度約為66 m。認(rèn)為合理區(qū)段煤柱留設(shè)寬度至少應(yīng)為90 m。

（2） 以90 m 寬的區(qū)段煤柱為例，對(duì)回采過程中的煤柱應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，在該區(qū)段煤柱寬度條件下，煤柱能夠保持穩(wěn)定。

（3） 提出區(qū)段煤柱穩(wěn)定性控制方案，對(duì)遠(yuǎn)場高位巖層采用切頂措施改變覆巖結(jié)構(gòu)，切斷覆巖應(yīng)力傳遞，從而降低煤柱應(yīng)力集中程度。