缓倾斜煤层区段煤柱合理宽度留设数值模拟研究

胥克俊

(中电投宁夏青铜峡能源铝业集团，宁夏回族自治区银川市，750000)

在煤矿开采过程中，根据地质条件及回采要求，区段平巷的布置往往采用双巷布置，并通过留设一定宽度的煤柱对两条巷道进行保护。目前，通过留设煤柱保护采准巷道仍是我国许多煤矿采取的主要的护巷方法，区段煤柱留设宽度是煤柱稳定性和巷道稳定性的关键所在。由于各矿井地质条件、水文条件和开采方法差异较大，区段煤柱留设宽度的取值以及确定方法也不尽相同。煤柱尺寸太小会使顶板难以支撑，使下区段回风平巷围岩发生较大的变形破坏，且可能导致上一个工作面回采后产生的采空区积水涌入，以及冒落矸石窜入下一工作面；区段煤柱宽度过大又会造成煤炭资源的损失过大，从安全生产和资源节约方面考虑都要求区段煤柱有合理的留设宽度。

目前我国许多矿区在缓倾斜和倾斜煤层条件下普遍采用经验方法或工程类比方法确定煤柱留设宽度，并通过现场实测煤柱支承压力分布大小总结规律，及时调整煤柱宽度范围，或者根据岩体的极限平衡理论来修正煤柱留设宽度。本文以红一煤矿4＃煤层回采巷道区段煤柱为研究对象，借助UDEC数值计算手段，研究不同宽度下经历巷道掘进阶段和上区段工作面回采过程中煤柱和两巷围岩的应力变化规律，并将应力集中系数作为煤柱稳定性的一个重要依据。

1 工程地质概况

红墩子矿区红一煤矿位于宁夏回族自治区东部，隶属银川市兴庆区管辖。根据煤层分布情况，其首采区主要可采煤层为4＃煤层和5＃煤层。4＃煤层115采区位于二叠系山西组 (Ps)，该地段以灰黑色泥质粉砂岩、黑色泥岩、黑色粉砂岩、灰黑色泥质粉砂岩为主，岩石硬度系数f＝2～4，为中等硬度，4＃煤层厚度大部分在1.3～2.0m之间，煤层倾角在15°～25°之间，属缓倾斜煤层。研究对象为115采区内1150401运输平巷和1150403回风平巷之间的留设煤柱，回采巷道留设煤柱空间布置见图1。

图1 回采巷道留设煤柱空间布置图

1150401工作面和1150403工作面之间采用双巷布置方式进行掘进，之后进行1150401工作面回采，因此，两巷之间的煤柱是安全生产的重要保证。两巷断面形状均为梯形，且沿4＃煤层顶板泥质粉砂岩掘进，巷道支护方式为锚网索＋钢筋梯联合支护。

2 数值模型及模拟方案

2.1 模型建立

根据红一煤矿地质条件，按实际岩层情况1∶1建立沿巷道剖面方向的平面应变模型。双巷布置阶段模型大小为100m×60m (长×高)，模型两侧面为滑动简支，底部固支，数值计算模型如图2所示。

图2 数值计算模型

模型边界上、下两巷沿顶板泥质粉砂岩掘进，左侧为1150401工作面，右侧为1150403工作面，按煤岩体实际倾角17°建模，岩层性质根据柱状图确定。整个模型在左、右及下部均为固定边界，没有水平位移，即Sx＝0，Sy＝0，为了计算准确，更加符合实际条件，使z方向测压系数为1.0，在模型上部施加垂直应力为10.46MPa。模型力学性质参数见表1。分析节理特性时考虑其受采动影响，块体采用摩尔—库伦本构模型，节理采用摩尔—库伦滑移本构模型，岩层的块度依据岩层厚度和采动岩体特点进行划分。

2.2 模拟方案

根据全国回采实体煤巷道煤柱统计结果，83.6%以上的煤柱留设宽度都在5～30m之间，因此，本次设计选取典型的6种方案进行模拟分析，制定区段煤柱留设宽度数值模拟方案为5m，10m，15m，20m，25m和30m。

回采巷道从开掘到报废，经历采动引起的围岩应力重新分布过程，围岩变形持续增长和变化。尤其是下区段1150403回风平巷，受到二次采动的影响，围岩变形要经历巷道掘进影响阶段、掘进影响稳定阶段、采动影响阶段、采动影响稳定阶段和二次采动影响5个阶段。因此，对区段煤柱宽度的研究从两个方面进行，即双巷布置阶段和1150401工作面回采阶段。

3 掘进期间区段煤柱应力分布规律

围岩浅部应力状态对于巷道整体稳定性有着重要影响，因此在煤柱上方 (距煤柱上方0m)和距煤柱上方分别1m、2m、3m、4m分别布置5条应力测线，从左到右编号依次为1～30，用来监测顶板围岩浅部应力分布及变化规律。

表1 煤岩层模拟力学及节理力学性质参数

3.1 应力集中系数对煤柱宽度的影响

应力集中主要由双巷布置及煤柱周围的工作面回采引起，造成的应力峰值与原岩应力的比值称为应力集中系数。通过上一节建立的UDEC数值计算模型，对不同方案进行模拟，得到不同煤柱宽度下煤柱内应力集中系数，建立应力集中系数与煤柱宽度之间的关系，将应力集中系数作为一个影响因素来反映不同取值下煤柱的变化情况，如图3所示，当应力集中系数较小时，煤柱宽度的增加较慢，当应力集中系数超过一定值 (根据模拟值约为3)，随着应力集中系数的增加，煤柱所承受的应力越来越大，必须增大煤柱的宽度来抵抗增加的应力。

图3 应力集中系数对煤柱宽度的影响

通过对不同应力集中系数计算比较得出，随着应力集中系数的增大，煤柱宽度增大速度加快，呈现指数函数形式。当应力集中系数由1.5增加到3时，煤柱宽度由4.2m增加到6m，增长率为1.4；而当应力集中系数由3增加到4.5时，煤柱宽度由6m增加到13m，增长率为2.3。所以可以将应力集中系数视为影响煤柱宽度的敏感因素。

3.2 垂直应力分析

运输平巷和回风平巷同时掘进时，由于区段煤柱宽度的不同，应力分布情况各异。选取距离顶板2m的应力测线监测煤柱的垂直应力，不同煤柱宽度下垂直应力的分布情况如图4所示。

图4 不同煤柱宽度垂直应力分布

由图4可知，沿煤柱测线的垂直应力以煤柱中心为对称轴，两边基本呈现对称分布，按照应力变化趋势可以分为两个类型。

(1)当煤柱＜15m时，属于增高—降低类型。在这种类型下的煤柱，煤柱中心位置的垂直应力最高，并且会出现应力核区域，煤柱长期处于塑性区域中，很容易发生破坏，不利于巷道维护。

(2)当煤柱≥15m时，属于增高—降低—二次增高—二次降低 (马鞍)类型。两巷至煤柱内3～5m为应力急速增高区，在巷道左右两侧5～6m，属于应力最高区域，当煤柱留设足够宽时，煤柱中心位置应力有所下降，基本属于原岩应力区域。此外，煤柱在这一范围内煤柱越窄，其上的应力峰值越大，峰值作用的范围也越大，这主要是此时煤柱破坏严重，煤体酥松，不能承受较高的应力所致。当煤柱宽度增加到20m以后，峰值逐渐趋于稳定，大致在15MPa左右。

同时，通过比较模型顶板布置的6条应力监测线监测应力系数在不同编号处的数值，可清晰反映应力集中及变化情况。留设煤柱宽度为5m时，测线的垂直应力变化剧烈，没有明显规律，时而出现应力系数2.0以上的煤柱区域；当煤柱留设宽度达到15m时，应力集中系数开始趋于缓和，大都为1.2～1.5，但仍处于破坏较严重的区域；当煤柱留设宽度达到20m以上时，应力集中系数基本平缓，在煤柱两侧5～6m，应力集中系数区域1.3，煤柱的其余部位基本接近于原岩应力。

通过垂直应力分析，认为15m是一个分界点，当煤柱留设宽度＜15m时，煤柱内出现应力系数为2.0以上的应力核区域，当煤柱留设宽度≥15m时，应力核区域逐渐消失，尤其是当煤柱留设宽度≥20m以后，煤柱的稳定性较好。

3.3 水平应力分析

选取运输平巷和回风平巷同时掘进时上下两巷及煤柱的水平应力云图进行对比分析，表明当煤柱留设宽度为5m时，由于两巷之间相互影响，水平应力波动很大，在煤柱中间同样出现应力核；当煤柱留设宽度为10m时，总体变化趋势趋于稳定，但仍然出现波动；当煤柱留设宽度≥15m，水平应力基本没有变化且规律基本一致，不会因为煤柱留设宽度不同而对水平应力的重新分布造成太大影响。双巷掘进期间留设不同煤柱宽度时煤柱应力特征见表2。

表2 留设不同煤柱宽度时的煤柱应力特征数据

通过对掘进期间煤柱和两巷围岩应力分布情况进行对比分析，同时根据煤柱上方围岩浅部的应力集中系数的变化规律，得出1150401工作面与1150403工作面的煤柱留设宽度初步定为15～20m。

4 工作面回采期间煤柱稳定性研究

1150403回风平巷属于采前掘进，即在上区段工作面回采前该巷道已经布置完成，在布置时期，巷道及煤柱周边围岩内原岩应力进行重新分布，当1150401工作面回采期间，由于受到工作面采动影响，煤柱内应力分布情况再次发生变化，侧向支承压力迅速增高。通过对不同宽度煤柱在回采期间应力分布情况的数值模拟，得出煤柱内侧向支承压力及应力集中系数，可以对上一节提出的煤柱留设宽度进行验证，监测结果见表3。

表3 上区段工作面回采后应力汇总表

由表3可知，当煤柱留设宽度大于10m时，侧向支承压力在20MPa以下，应力集中系数在1.6以下，到煤柱留设宽度为20m时，侧向支承压力为15.5MPa，之后的侧向支承压力趋于平缓。将不同煤柱宽度的侧向支承压力进行对比分析，得到回采期间煤柱宽度与侧向支承压力之间的关系，如图5所示。

图5 煤柱宽度与侧向支承压力之间关系

由图5可知，应力峰值随着煤柱宽度的增加呈现下降趋势，经过数据拟合，其关系符合二次函数曲线，变化趋势公式为:

由式 (1)可以看出，煤柱峰值在15～20m以后，应力峰值几乎不变，过大煤柱对于巷道维护作用很小，由此验证了上一节初步制定的煤柱留设宽度在15～20m之间是合理的。

5 结论

(1)通过分析应力集中系数对煤柱留设宽度的影响，发现随着应力集中系数的增大，煤柱宽度增大速度加快，呈现指数函数形式，从而确定应力集中系数为煤柱留设宽度敏感因素。

(2)通过对顶板浅部围岩监测可知，沿煤柱测线的垂直应力以煤柱中心为对称轴，两边基本呈现对称分布，按照应力变化趋势可以分为如下两个类型:当煤柱＜15m时，属于增高—降低类型；当煤柱≥15m时，属于增高—降低—二次增高—二次降低 (马鞍)类型。同时，在煤柱＞15m后，水平应力基本没有变化且规律基本一致。

(3)对上区段工作面回采时煤柱的稳定性进行分析可知，煤柱峰值在15～20m以后，应力峰值几乎不变，而过大煤柱对于巷道维护作用很小，从而最终确定合理的煤柱留设宽度为15～20m之间。

[1]屠世浩，白庆升，屠洪盛.浅埋煤层综采面护巷煤柱尺寸和布置方案优化[J].采矿与安全工程学报，2011 (4)

[2]韩承强.不同宽度区段煤柱巷道围岩结构及变形机理研究[D].山东科技大学，2007

[3]赵国旭，谢和平，马伟民.宽厚煤柱的稳定性研究[J].辽宁工程技术大学学报，2004(1)

[4]柏建彪，侯朝炯，黄汉富.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2004(20)

[5]王连国，缪协兴.煤柱失稳的突变学特征研究[J].中国矿业大学学报，2007(1)

[6]韩承强，张开智，徐小兵等.区段小煤柱破坏规律及合理尺寸研究[J].采矿与安全工程学报，2007(3)

[7]徐金海，缪协兴，张晓春.煤柱稳定性的时间相关性分析[J].煤炭学报，2005(4)

[8]李晓龙，丁效雷，姚强岭等.浅埋缓斜煤层回采巷道合理煤柱宽度设计[J].中国煤炭，2009(3)

[9]范新民.窄煤柱的留设和矿压机理分析[J].中国煤炭，2010 (8)