残采旧空区宽度对残留煤柱稳定性影响分析

刘建伟 徐 昕 康国峰

（同煤国电同忻煤矿有限公司，山西 大同 037000）

煤炭支撑着我国经济的发展[1]，20 世纪为追求更大的经济效益，采用落后旧式采煤法开采优质煤炭资源[2]，造成资源的极大浪费。随着资源枯竭及经济发展的需要，对残煤存在区的煤炭资源进行残煤复采成为煤炭领域的重要研究内容。因旧采区存在大量的旧空区和煤柱且分布不均[3]，不同宽度的旧空区和煤柱的稳定性会对下分层工作面造成一定影响。对煤柱的稳定性进行分析能对工作面前方煤柱的稳定性做出预判[4]，从而确定相应的处理措施，保证回采工作面回采过旧空区时能够安全稳定的通过。

1 工程概况

王坡煤矿位于山西省晋城市，主要可采煤层为3#、4#煤层。3#煤厚4.3m，4#煤厚3m，煤层间距6～8m，煤层埋深为325m。先前采用落后的巷柱式采煤法开采3#煤，造成资源的大量浪费，并在煤层中形成大量的旧空区。通过现场调研确定旧空区宽度范围为5～10m，煤柱宽度为5～15m。本文对3#旧空区煤柱稳定性进行理论分析，并通过数值模拟论证，确定4#煤回采工作面回采时，3#煤柱能够保持稳定性的极限宽度，并对3#煤旧空区做出相应的处理。

2 采场煤柱超前失稳机理

2.1 剪切破坏

当工作面回采时，因工作面前方旧空区的存在，基本顶发生超前破坏，受关键块回转失稳的影响，煤柱承受较大的剪切应力，而煤柱的抗剪强度较小，当煤柱的受剪强度大于煤柱的极限抗剪强度时，煤柱就会发生破坏。同时，随着回采工作面的推进，采场前方的煤柱宽度逐渐减小，煤柱内的弹性核宽度随之逐渐减小，煤柱越容易发生破坏。煤柱破坏一般发生在煤柱与顶底板岩层连接处，当煤柱中存在若干节理、裂隙时，煤柱容易首先在节理、裂隙发育处开始发生破坏。

2.2 受压破坏

根据极限强度理论的相关知识：如果上覆的岩层对下部煤柱所施加的载荷超过了煤柱的载荷极限，下部的煤柱往往会出现压裂或者是剪切性的破坏，这样就导致了煤柱的承载能力下降或丧失。

式中：

σ-煤柱受顶板岩层作用的载荷，MPa；

F-煤柱安全系数，取2；

σp-旧空区煤柱所能承受的抗压强度，MPa。

当煤柱为矩形且巷道的设计宽度与旧空区残留煤柱的宽度相等时，煤柱的抗压强度满足下列公式：

逐渐破坏理论认为煤柱是逐渐发生破坏的。因煤柱两侧存在旧空区，旧空区两侧顶板的压力均由煤柱支撑，煤柱内部存在应力，受高应力作用，煤柱两边强度逐渐减小并发展为塑性区，应力向煤柱中部弹性核区集中，煤柱中部转化为弹性状态，弹性核受顶底板岩层及煤柱两侧的塑性区挤压而保持平衡状态。弹性核区应力值可由以下公式计算：

若煤柱宽度满足上式，煤柱中有稳定的弹性核区宽度，则煤柱就能保持稳定。通过煤柱的宽度与弹性核宽度的比值大小来确定煤柱的稳定性，当弹性核区宽度达到煤柱宽度的86%时，煤柱就能保持稳定。

将本矿物理力学参数带入，得出本矿旧空区煤柱能够保持稳定的临界宽度为10m。

3 数值模拟

3.1 模型建立

如图1 所示，为数值模拟物理模型图。旧空区宽度为5～10m，煤柱宽度为5～15m。根据物理模型及煤矿综合柱状图建立数值模型，建立数值几何模型尺寸长×宽×高=240m×160m×90m，模型划分182634 个单元格，192546 个节点。模型边界条件为四周固支，顶板施加8.38MPa 的原岩应力。模拟所用岩石力学参数见表1。

表1 岩层力学参数

图1 数值物理模型示意图

3.2 模拟方案及过程

通过建立相关数值模拟的模型来模拟宽5m、10m 的旧空区，煤柱宽度分别为5m、10m、15m时的稳定性变化规律。模拟过程为建立数值模拟模型—初始平衡—开挖旧空区—运行至平衡—回采4#煤回采工作面—结果分析。

3.3 模拟结果分析

根据模拟结果，只给出典型云图，如图2 所示为4#煤回采工作面前方30m 处不同旧空区及煤柱宽度下的煤柱塑性区分布云图。当旧空区宽度为5m 时，5m 宽煤柱塑性区宽度为5m，煤柱全部发生破坏，无法满足回采工作面安全回采的需要；10m 宽煤柱塑性区宽度为4m，煤柱宽度能够满足回采工作面回采期间安全回采。当旧空区的宽取10m 的时候，宽度为5m 的煤柱塑性区宽是5m，结果煤柱全被破坏，无法满足安全回采；宽度为10m的煤柱塑性区宽是6m，此时的煤柱宽度可以实现安全回采。这说明相同旧空区宽度时，随着煤柱宽度的增加，煤柱塑性区宽度越来越小，煤柱弹性核区宽度越来越大；相同煤柱宽度时，随着旧空区宽度的增加，煤柱塑性区越来越大。通过对煤柱宽度的数值模拟分析，煤柱宽度为10m 时，工作面能够安全回采，因此可以预先判定工作面前方不同旧空区宽度时，10m 煤柱能够保持稳定。

图2 煤柱塑性区云图

图3 为回采工作面过上覆空区煤柱时4#煤工作面超前支撑压力曲线。由图可知，当煤柱宽度为10m，旧空区宽度为5m 时，工作面前方应力集中系数为1.48；当煤柱宽度为10m，旧空区宽度为10m 时，工作面前方应力集中系数为1.62；当煤柱宽5m，旧空区宽10m 时，工作面前方应力集中系数为2.53；当煤柱宽度为5m，旧空区宽度为5m 时，工作面前方应力集中系数为3.48。表明：在煤柱宽度保持固定时，在空区宽度增加的情况下，工作面应力集中系数会变大；当空区宽度保持不变的情况下，如果煤柱宽度变大，则工作面的应力集中系数就会变小。当煤柱宽度小于10m 时，因工作面前方应力集中系数较大，煤柱可能受工作面回采的影响而突然失稳。因此，当煤柱宽度小于10m 时，需对其旧空区做充填处理，以保证工作面安全回采。

图3 工作面超前支撑压力曲线

4 结论

（1）通过现场调研，王坡煤矿旧空区宽度范围大都集中在5～10m。根据理论分析确定煤柱破坏机理为受顶板压力的作用发生剪切破坏或压裂破坏。煤柱宽度较小时，煤柱多发生剪切破坏，煤柱内部不存在弹性核区；煤柱宽度较大时，多发生压裂破坏，煤柱内部残留一定宽度弹性核。并得到临界失稳宽的计算公式，与数值模拟结果相符。

（2）根据数值模拟可以判定残采区旧空区宽度超过5m 时，5m 宽煤柱已发生破坏无法保持稳定，需要对旧空区做充填处理；当旧空区宽度一定时，随着煤柱的增加，煤柱塑性区越来越小，当煤柱超过10m 时，5m、10m 宽空区对煤柱稳定性影响较小，工作面可安全生产。