深部高应力双巷布置工作面煤柱宽度合理性研究

2021-05-08田建设贾金兑朱浩宇廉开元

煤炭工程 2021年4期

田建设，贾金兑，朱浩宇，廉开元

(1.陕西能源小壕兔煤电有限公司，陕西榆林 719053；2.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054)

深部煤层开采条件下，矿压显现异常，冲击地压等动力灾害事故频发，尤其是在煤柱宽度设计不合理的情况下，反而会给巷道安全生产带来一定威胁[1]。如过大的区段煤柱内部存在一定的弹性核区，煤柱内应力高度集中，一方面煤柱应力向两侧巷道自由面进行传递，造成临空侧巷道底鼓、片帮严重等，而另一方面受构造、强采动等客观因素影响，弹性核所积聚的能量快速释放[2]，表现为巷道瞬间弹起等动力灾害，这种突然间的应力释放给工作人员生命财产安全带来严重的威胁。因此，深部高应力区段煤柱留设合理性研究对于矿井安全生产具有至关重要的意义。

目前国内外有许多专家学者针对煤柱留设相关理论展开了较为深入的研究，如孔德中等[3]采用现场实测、数值模拟方法对大采高综放面区段煤柱宽度进行了研究，结果表明留设大煤柱(28m、30m)情况下，采动应力影响煤柱中央有一定的弹性核，煤柱及巷道稳定性较高；石崇等[4]以付村煤矿为工程背景，研究了工作面采动压力影响下的区段煤柱尺寸，表明巷道布置在距离煤帮0～6m的应力降低区较为合理，此时区段保护煤柱设计3～5m，围岩控制效果良好；祁和刚等[5]以葫芦素矿井为背景，研究了区段煤柱集中载荷对巷道围岩稳定性的影响，结果表明目前工作面设计的30m区段煤柱在侧向支承压力的作用下会对底板岩层产生较大影响，造成巷道底鼓严重等现象；张杰等[6]采用数值模拟研究了不同留设煤柱宽度的煤柱应力、塑性区分布特征，结果表明区段煤柱14m稳定性更高，其应力峰值小于煤层强度；张向阳等[7]基于FLAC数值模拟研究了深井动压巷道群围岩应力分布及变形破坏特征，表明深部巷道群在单侧工作面开采时设计80m区段煤柱，围岩受采动影响较小；潘黎明[8]以黄玉川煤矿4#煤层为工程背景，研究了综采工作面区段煤柱应力分布规律，表明煤柱的破坏主要是由于工作面回采后采空区上覆岩层压力的增幅造成的；谭凯[9]研究了察哈素煤矿厚煤层综采工作面双巷煤柱优化问题；来兴平等研究提出了煤柱宽度预测的GRNN模型和PSO-SVM模型[10，11]。综上研究可得，许多专家学者分别采用多种研究方法研究区段煤柱应力分布规律，结合多种手段进行试验验证所得区段煤柱宽度的合理性，取得了一定的成效，但仍对深部条件下的煤柱宽度合理性研究相对较少，仍需要展开进一步的研究。

本文以园子沟煤矿1022101工作面为工程背景，在现场调研、理论分析的基础上，运用FLAC3D数值模拟对不同煤柱宽度下的巷道稳定性、应力分布状态进行分析，提出该深部高应力巷间煤柱留设建议，为类似条件下煤柱宽度设计提供参考依据。

1 工程概况

园子沟煤矿目前主要开采2#煤层，煤层赋存稳定，结构较为简单，煤层厚度3.0～14.9m，夹矸1～2层，一般厚度0.1～0.6m，岩性均以泥岩或粉砂岩为主，顶底板岩性特征见表1。根据煤层赋存特征，采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤法，全部垮落法管理采空区顶板。

表1 顶底板岩性特征

1022101工作面长约200m，巷道布置采用双巷布置方式，工作面南侧为进风运输巷及辅助运输巷，运输巷和辅助运输巷之间留设煤柱宽度为25m，巷道南侧为1022102准备工作面；工作面北侧为回风巷，一号回风巷和二号回风巷巷道间煤柱宽度为15m，巷道布置如图1所示。1022101工作面运输机巷宽5.5m，净断面16.5m2，辅助运输巷宽5m，净断面17.5m2，巷道采用锚网索梁协同支护。

图1 1022101工作面巷道布置(m)

工作面埋深达712～827m，属于深部开采，围岩地应力较高。由于矿井对于工作面回采影响下煤柱侧围岩应力分布认识不清，且缺乏深部高应力条件下巷间煤柱合理宽度设计理论依据，对于煤柱宽度留设未形成统一认识，如在运输巷巷间煤柱宽度设计为25m，回风巷巷间煤柱宽度设计为15m。其留设25m大煤柱，不仅造成开采过程中煤柱应力高度集中，引起回采期间煤柱片帮、底鼓严重、冲击地压等围岩灾变问题，给矿井安全生产带来严重的安全隐患，同时煤柱尺寸过大，也造成了煤炭资源的严重浪费。因此，研究确定合理的煤柱尺寸势在必行。

2 煤柱合理留设尺寸分析

煤层开采后巷间煤柱所受支承压力明显增大，这一系列载荷主要是由于煤柱上覆岩层重量、煤柱一侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分重量所引起的[12]。基于此，以园子沟煤矿1022101工作面为背景，建立煤柱承载力学模型，如图2所示，运用载荷估算法对煤层的承载状态进行分析，分析确定煤层的合理煤柱宽度。

图2 煤柱载荷计算

计算模型如图2所示，单位长度煤柱载荷：

式中，B为煤柱宽度，m；D为采空区宽度，按巷道跨度计算，取5.5m；H为巷道埋深，取700m；δ为采空区上覆岩层跨落角，取45°；γ为上覆岩层平均体积力，取25kN/m3。

则煤柱单位面积的平均载荷即平均应力：

煤柱稳定性分析必须综合考虑煤柱载荷及其强度[13]，因此在确定煤柱承载状态后，其煤柱宽度必须保证煤柱的极限载荷σ不超过它的极限强度R，极限强度R为：

式中，R为煤柱极限强度，MPa；RC为煤的单轴抗压强度，取15.65MPa；h为煤柱高度，取3.5m。

此时，园子沟煤矿满足煤柱两侧只采一个工作面，煤柱宽度B满足：

根据上述煤柱稳定性计算条件，将参数代入式(4)可得，园子沟煤矿深部高应力巷间煤柱宽度B≥12.878m时较为合理。

进行煤柱尺寸设计时，还应综合考虑围岩稳定性等因素[14]。当煤柱宽度逐渐减小时，最大支承压力逐渐远离煤壁，煤壁破坏深度也随之增大，围岩变形破坏严重，因此应适当增加煤柱尺寸，合理的煤柱宽度不仅能满足控制围岩破坏的需求，也能控制深部煤体应力集中引发的冲击地压灾害，故煤柱尺寸势必不能过大。而园子沟煤矿煤层实际留设一侧巷间煤柱宽度为25m，煤壁破坏深度较大，且导致巷道侧向支承压力增大，不利于巷道维护。因此，进一步通过FLAC3D建立模型，模拟分析不同煤柱宽度下的应力分布状态，对于研究煤柱合理宽度具有积极的意义。

3 不同煤柱宽度的数值模拟分析

3.1 模型建立

依据园子沟煤矿1022101工作面地质条件建立FLAC3D数值计算模型，模型X方向长550m，Y方向宽度500m(采煤方向)，Z方向高度131m。模型前后左右和底边界均采用位移边界进行固定，上边界施加17.5MPa的均布载荷，围岩本构关系采用摩尔库仑模型。考虑到实际安全需要，为确保多次采动期间巷道围岩也处于安全范围内，应考虑回采期间完全无支护情况下的煤柱极限破坏情况，模拟无支护条件下即考虑围岩承载及破坏情况均为最大值时，所确定的合理煤柱宽度在现场应用时安全系数更高。

1022101工作面回采后，运输巷煤柱侧垂直应力分布情况如图3所示。由图3可知，1022101工作面回采后支承压力峰值约为58MPa，该位置埋深约800m，原岩应力约20MPa，应力集中系数约为2.85。此时，运输巷煤柱侧围岩支承应力峰值位置距离煤壁侧为2～4m，如图4所示，与现场松动圈实测煤体破坏范围约2m基本符合，所建模型模拟煤柱破坏情况与实际相符，展开垂直应力分布模拟结合较为准确。

图3 巷道煤柱侧围岩应力分布

图4 运输巷围岩破坏范围(左侧为25m煤柱)

由图3还可以看出，运输巷煤柱侧围岩侧向支承压力升高区主要位于0～10m内，10m范围外为应力降低区，进行煤柱宽度设计时同样需将巷道布置于煤柱应力降低区10m范围外，与理论分析煤柱宽度大于12.9m基本相符。

3.2 不同煤柱宽度的垂直应力分布

深部矿井开采条件下，垂直应力分布规律一定程度上可以反映围岩应力集中状态，垂直应力越大，围岩应力集中程度越大，煤柱侧围岩积聚的能力越大。煤柱宽度对于垂直应力分布具有明显的影响，煤柱宽度越大，煤体承载能力越强，所得应力集中程度越大，越容易引发冲击灾害，而煤柱宽度过小，承载能力减弱，越容易发生失稳破坏[15]，故研究不同煤柱宽度下的垂直应力分布状态具有积极的意义。

根据前述模拟支承压力分布情况，结合现场巷道布置条件，建立FLAC3D双巷布置及工作面回采数值模拟模型对留设不同尺寸的煤柱进行静力学计算，煤柱宽度分别为7m、10m、13m、16m、19m、22m和25m，对此分析得出多次回采影响下的工作面前方5～10m峰值位置处煤柱侧围岩极限垂直应力分布规律，如图5、图6所示。

由图5可以看出，一次采动阶段工作面前方煤柱沿倾向方向上的垂直应力先增大后减小，煤柱宽度为7m、10m时的应力峰值分别为21.4MPa、43.1MPa，此时煤柱整体位于应力降低区，围岩发生较大范围的塑性破坏，应力值降低；当煤柱宽度增加到13m、16m时，应力峰值达到56.3MPa，煤柱内部一定范围内为应力集中区域，但总体偏小；当煤柱宽度增加到19m、22m、25m时，应力峰值分别为56.7MPa、48MPa、43.2MPa，煤柱内主垂直应力呈不对称双峰布置，煤柱内部存在较大范围的弹性核区，应力集中程度相对较大，在具有冲击倾向性的煤层中容易引发冲击地压等灾害。

由图6可以看出，二次采动阶段工作面前方煤柱沿倾向方向上的垂直应力先增大后减小。煤柱宽度为7m、10m、13m、16m时应力峰值分别约为10MPa、20MPa、25MPa、40MPa，支承压力分布呈单驼峰形状；煤柱宽度为19m、22m、25m时应力峰值分别约为70MPa、100MPa、118MPa，应力值明显增大，应力高度集中，容易引发冲击地压等灾害。

由此可见，由于原岩应力为17.5MPa，煤柱宽度7m、10m、13m时，巷道在多次采动影响下煤柱侧围岩均位于应力降低区；煤柱宽度为16m以上时，煤柱中间均存在一定的范围为应力集中区，容易引发造成冲击地压等灾害。

4 巷间煤柱合理宽度确定

综上可知，煤柱尺寸为7～25m时，煤柱沿倾向方向垂直应力先增大后减小，煤柱两侧均存在一定范围的塑性区。当煤柱尺寸为7m、10m时，煤柱整体上发生塑性破坏，煤柱已经被压垮，承载能力明显降低，巷道稳定性较差，易引发采空区漏风，对于瓦斯防治、防灭火等均带来不利影响；当煤柱尺寸为16m、19m、22m、25m时，煤柱中间存在一定范围的弹性核区，煤柱宽度越大，弹性核区积聚能量越多，更容易引发巷道围岩发生底鼓、冲击等次生围岩灾害。

由图4、图7现场巷道围岩松动圈破坏范围可得，运输巷25m煤柱侧围岩最大塑性破坏范围为2.1m，回风巷15m煤柱侧围岩最大塑性破坏范围为2.2m，留设15m和25m煤柱情况下，煤柱破坏深度近似一致。且由实际调研可知，回采阶段围岩变形情况无明显区别，无论25m煤柱还是15m煤柱，该侧围岩变形整体均处于可控范围内。

因此，在综合考虑资源回收率、巷道围岩稳定性、次生灾害控制等因素的基础上，确定园子沟煤矿深部高应力巷间煤柱留设13～15m较为合理。