某矿遗留煤柱下工作面合理区段煤柱宽度研究

石创创 张君杰 杨 汐 陈建华 刘泽瑞 杨恒泽

（1.广西大学资源环境与材料学院；2.山东科技大学能源与矿业工程学院）

随着多年煤炭工业的发展，我国东部地区浅部优质煤炭资源所剩无几，深部资源开采面临“三高一扰动”等诸多问题，因此，浅部被压优质资源的安全高效开采是一个迫在眉睫的问题［1］。厚煤层常采用分层条带采煤法进行开采，在顶分层煤体条采过后，势必会遗留条带煤柱。根据矿山压力理论可知，受地质力和工程力的影响，遗留条带煤柱内的应力会重新分布，条带煤柱内会产生应力集中、弹性变形以及塑性破坏等现象［2］。当下分层工作面回采巷道布置在遗留条带煤柱下时，会产生煤层顶板不均匀沉降、煤体应力分布异常等现象，这些异常现象影响区段煤柱的留设，若区段煤柱尺寸不合理，不仅会造成回采巷道支护困难的问题，而且还有可能会发生顶板事故、冲击地压事故等。因此，研究遗留条带煤柱下工作面合理的区段煤柱宽度，对工作面安全高效开采具有重要的理论与现实意义。

多年来国内外学者对合理区段煤柱宽度研究颇多，A H Wilson［3］根据屈服区和三向应力状态的核区应力分布规律综合两侧采空后煤柱上应力分布规律得出的煤柱分担载荷公式，从而确定煤柱合理宽度；张广超等［4-8］采用数值模拟、相似材料模拟实验、理论分析的方法研究了相应特定地质条件下的合理煤柱宽度，并进行工业性实验、现场实测证明留设煤柱宽度的稳定性，为类似条件下区段煤柱的留设提供了极大的参考意义。国内外学者在区段煤柱合理宽度等方面进行了大量的研究，但针对遗留条带煤柱下布置工作面这一特殊情况的研究较少。本项目对遗留条带煤柱下工作面合理区段煤柱宽度进行深入研究，实现条带煤柱下工作面的安全高效开采。

1 工程概况

山东省某矿首采区北翼开采前期受地面村庄未搬迁完毕影响，设计采用分层条带开采，预先采用条带采煤法开采上分层煤体，现地表村庄搬迁完毕，准备回采下分层煤体及部分上分层遗留条带煤柱，规划1310工作面布置在矿井西北部，地面标高为+35.4～+37.1 m，工作面标高为-434.9～-412.0 m，平均埋深为460 m，1310工作面拟布置区域（图1虚线范围）位于1310上工作面下部，东为1308回采工作面，西为1312上工作面，北为3煤层冲刷变薄带，1312上采空区距1310上采空区77 m，1308采空区与1310上采空区距离为35 m，1310工作面计划开采范围平面图及剖面图如图1、图2所示。

2 合理区段煤柱宽度理论分析

遗留条带煤柱两侧工作面回采结束后，采空区顶板大面积垮落，采空区边缘的煤体处于塑性破坏区，煤体完整性差，破碎严重，若将下分层工作面轨道运输布置于此处，巷道变形严重，难以维护。由沿空侧向支承压力分布规律可知，因煤层及围岩结构不同，支承压力峰值大多出现在距煤柱边缘位置10~30 m处，所以大煤柱护巷易造成压力集中、巷道底鼓，并且增大了具有冲击倾向性煤体发生冲击地压的可能性。根据相关研究可知，遗留条带煤柱因承载两侧采空区覆岩的载荷，条带煤柱中产生应力集中现象；条带煤柱底煤中央范围应力集中程度较大，在沿空侧10 m范围内为应力降低区域；1310上工作面的开采造成底部煤体破损严重，巷道若布置在1310上采空区下部不仅不利于巷道的支护，而且还放弃了大量条带煤柱中的可采煤炭资源。出于节约煤炭资源以及安全回采的目的，应将1310工作面回采巷道布置在条带煤柱底部并沿1308采空区采用小煤柱护巷掘进。因此，小煤柱护巷不仅技术上可行，而且在工作面安全回采及经济效益上也可行。

1308工作面开采后，直接顶相关的岩层在采空区随采随落，丧失了向工作面回采前方及采空后方进行力学传递的能力，基本顶岩层的运动状态主导着工作面矿山压力的分布与显现。基本顶由传递岩梁组成，其运动破断时会将基本顶上部岩层产生的载荷传递到周围煤岩上，煤岩上的支承压力将明显分为2个部分，如图3所示。图3中S1为“内应力场”，内应力场支承压力的来源是基本顶岩层，基本顶岩层的重量及运动情况，决定其内应力场的分布范围及压力变化情况；S2为外应力场，此范围支承压力的来源是基本顶及其上覆岩层的总体。由内外应力场理论可知，处于内应力场中的煤体所承受的矿山压力较小，在内应力场中布置煤柱及巷道，有利于确保煤柱的稳定性以及巷道的安全。

选用小煤柱护巷时，应选择将煤柱布置在“内应力场”中，这样小煤柱和回采巷道将处于较低应力环境内，利于巷道支护。因此必须弄清楚“内应力场”的分布范围，“内应力场”支承压力的分布公式［9］为

式中，σy为侧向支承压力，Pa；G0为煤体刚度，Pa；y0为煤壁煤体的压缩量，m；S1为煤壁至采空区距离，m。

根据相关研究可知，内应力场范围内煤体上支承压力的峰值等于工作面初次来压时基本顶的自身重力，可以得到式（2）［10］

式中，L为工作面倾向长度，m；C0为基本顶初次垮落步距，m；Mi为基本顶厚度，m；γz为基本顶平均容重，kN m3。

所以，内应力场S1为

通过查阅某矿地测资料，将各项参数代入式（3），计算得到内应力场S1为7.07 m。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型建立

选取1308采空区与1310上采空区之间的煤柱做为试验条带煤柱，并进行数值计算分析。X轴是工作面的倾斜方向，Y轴是工作面的走向方向，Z轴是模型垂直方向。数值模型尺寸为350 m×550 m×110 m（长×宽×高），所建立的数值模型如图4所示。模型的边界条件：顶部为自由边界，底部边界固定，其余面受水平位移约束，上边界施加相当于460 m采深的11.25 MPa的应力，X、Y方向施加初始水平应力为5.62 MPa。

3.2 条带煤柱内支承压力分布规律

待数值模型建立及赋值计算后，首先模拟1308工作面、1310上工作面、1312上工作面开采，形成条带煤柱，因1310回采巷道布置在1308工作面与1310上工作面之间条带煤柱中，所以分析煤柱上应力分布规律，找到低应力存在区域，为下一步不同宽度区段煤柱留设实验提供依据，1308工作面及1310上工作面之间条带煤柱支承压力分布曲线如图5所示。

3.3 不同煤柱宽度围岩应力分布

为了保证将煤柱布置于支承压力较低区域，以便减少煤柱变形破坏，保证煤柱内部较完整，有助于锚杆发挥其有效的锚固作用，从而保证巷道使用期间稳定，初步设计条带煤柱下工作面4种不同区段煤柱尺寸进行对比分析，区段煤柱留设宽度方案：4，5，8，15 m，条带煤柱下工作面掘巷期间煤柱的垂直应力分布云图如图6所示。

对不同尺寸区段煤柱垂直应力分布云图可知，当煤柱宽度小于5 m时，煤柱内部垂直应力整体较小，应力峰值小于初始应力；当煤柱宽度在5~8 m时，轨道平巷两侧围岩压力较小，近区段煤柱侧压力小于近实体煤侧压力，支承压力峰值出现在近实体煤侧，煤柱内垂直应力虽然大于初始应力，但应力集中程度不严重，应力集中系数为1.08~1.39；当煤柱宽度在8~15 m时，支承压力峰值出现在区段煤柱中，煤柱内支承压力整体较大，应力集中系数为1.87~2.69，易积聚大量的弹性能，并且轨道平巷两侧围岩压力较大。通过煤柱内及巷道两侧应力分布规律可知，当煤柱宽度大于8 m时轨道平巷两侧均承受高支承压力，随着煤柱宽度的增大，内应力集中系数也逐渐变大，应力峰值达到30.5 MPa，不利于冲击灾害的防治和巷道支护。因此，以煤柱内垂直应力分布规律来分析煤柱宽度应小于8 m。

3.4 不同煤柱宽度塑性区分布

沿工作面倾斜方向进行剖面，可以得到设置不同尺寸区段煤柱时塑性破坏区分布情况，不同尺寸区段煤柱塑性破坏区分布如图7所示。

从图7的分析可以看出，当煤柱宽度为4 m时，受1308采动后覆岩运动的影响，煤柱经历了塑性变形，这种破坏类型是剪切破坏，破坏区域覆盖了整个煤柱，此外巷道周围的岩石破损严重，并发生内部变形，并且以剪切破坏为主伴随着局部拉伸破坏。当煤柱尺寸为5~8 m的情况下，整个煤柱发生塑性破坏，煤柱依靠峰后残余强度支撑覆岩，减弱了巷道周围的破损，并减少了巷道变形。通过对不同煤柱尺寸塑性破坏的分析可知，当区段煤柱尺寸为4 m时，煤柱破坏严重，对覆岩的支撑能力大幅度下降，导致巷道变形严重，难以支护；煤柱宽度为8~15 m时虽产生弹性区，但对顶板的支撑作用与5~8 m煤柱时的作用相差无几，弹性区域的增加有利于能量积聚，易引起冲击地压灾害。综合理论分析、不同煤柱宽度围岩应力分布及不同煤柱宽度塑性区分布结果可知，遗留煤柱下工作面合理区段煤柱宽度为5 m。

4 结论

（1）通过内外应力场理论计算遗留条带煤柱中内应力场的范围为7.07 m，护巷煤柱宽度小于内应力场时承载的压力较小。

（2）通过对不煤柱宽度应力分布情况分析可知，当煤柱宽度小于5 m时，煤柱整体垂直应力较小，应力峰值小于模型初始应力；当煤柱宽度在5~8 m时，巷道两侧围岩压力较小，近煤柱侧小于近实体煤侧；当煤柱宽度在8~10 m时，煤柱内支承压力较大，易导致弹性应变能的积累，并且巷道两侧围岩压力较大。

（3）通过对不同煤柱宽度塑性破坏情况分析可知，煤柱尺寸为4 m时，煤柱破坏严重，对覆岩的支撑能力大幅度下降，导致巷道变形严重，难以支护；煤柱宽度为8~10 m时虽产生弹性区，但对顶板的支撑作用与5~8 m煤柱时的作用相差无几，弹性区域的增加有利于能量积聚，易引起冲击地压灾害。通过本研究可知，在遗留条带煤柱下留设5 m的区段煤柱可保证工作面的安全回采。