浅埋煤层孤岛工作面区段煤柱宽度优化

张 杰，白文勇，王 斌，吴建军，何义峰，康小杰

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安710054；3.山西大同大学 煤炭工程学院，山西 大同 037000)

0 引 言

煤柱留设作为传统的护巷方法，在矿井生产中广泛使用，但往往因煤柱宽度留设不合理导致煤柱损失高达10%～30%[1]。浅埋煤层工作面回采巷道多采用双巷布置，其巷间煤柱留设宽度为8～25 m[2]。张杰等通过对南梁矿浅埋煤层工作面20 m区段煤柱现场应力监测结果分析得到，在回采过程中该区段煤柱应力变化不明显，未达到破坏强度，煤柱留设宽度具有一定优化空间[3]。孤岛工作面因受到不同方向支承压力的迭加，应力更加集中，矿压显现明显，而浅埋煤层工作面具有“埋藏浅，压力大”的特点[4]，在两者共同作用下进一步加剧了工作面矿压显现，常在回采过程中工作面及回采巷道附近出现应力集中程度大、顶板运动剧烈，容易片帮、巷道变形较大等一系列现象，而孤岛工作面区段煤柱不仅需要为上区段回采服务，还需要为本区段回采服务，其受采动及相邻采空区残余应力影响，相较于常规煤柱压力显现更为明显[5-6]。因此，合理的区段煤柱尺寸是维护浅埋煤层孤岛工作面回采巷道稳定的关键，也是指导工作面安全高效产出的重要保障，具有重要的现实意义[7-9]。在结合现有煤柱留设理论[10-15]基础上，深入分析浅埋煤层孤岛工作面在采掘活动期间覆岩结构演变，区段煤柱内应力的动态效应以及其对巷道维护的影响规律，优化区段煤柱宽度。

1 工程概况

南梁矿30101-1工作面地面位于南梁矿井田西南角、小则沟北侧、小蒜沟煤矿东侧。30101-1工作面井下位于3-1煤层中央回风大巷西侧，30101工作面南侧，3-1煤层治理区北侧(治理区已开采)。当3-1煤层30101工作面回采结束后，就使得相邻30101-1工作面形成了孤岛工作面，工作面布置如图1所示。

图1 区域平面Fig.1 Panel layout

30101工作面以及相邻30101-1工作面赋存条件变化不大，平均埋深120 m，工作面煤层厚度1.8～2.03 m，平均厚度2 m，倾角1°～3°，工作面倾向长度为150 m，采用综合机械化工艺回采，采区工作面回采巷道布置方式为双巷布置，地层综合柱状图如图2所示。

图2 地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic histogram

2 区段煤柱覆岩结构及应力演变特征

2.1 区段煤柱覆岩结构演变特征

保证巷道围岩及煤柱稳定必须以分析整个采掘活动期间覆岩运动与矿山压力显现关系为前提[16]。整个采掘活动期间，区段煤柱上方围岩结构变形主要发生在双巷掘进期、上区段回采期、本区段回采期，各时期上覆岩层运动特征有所不同。

2.1.1 双巷掘进期(内层人工支护围岩小结构的形成期)

根据南梁矿现场生产实际生产情况分析可知，工作面30101-1上覆岩体大结构在巷道掘进前巷道外部力学环境没有发生大的变化，巷道围岩没有受到开采扰动。在回采巷道掘进阶段，由于掘进活动发生在远离大结构的下方煤体中，因此，掘进活动对上覆岩层的扰动未能对大结构稳定性产生影响。在此阶段，回采巷道围岩变形的主要原因是由于回采巷道掘进后引起围岩应力重新分布所导致的。采掘活动引起的应力重新分布主要发生在浅部围岩巷道内，在大结构下，巷内支护、区段煤柱构成新掘进围岩支护小结构，以适应新的力学环境和顶板运动产生的载荷变化，结构如图3所示。

图3 掘进后区段煤柱与上覆岩体结构Fig.3 Structure between section coal pillar and overlying rock mass after tunnelling

因此，此阶段区段煤柱力学参数及设计宽度是减小直接顶在该时期应力活动时间，适应外层结构力学变化的主要因素。

2.1.2 上区段回采期(外层直角三角板大结构形成期)

上区段回采对本区段回采巷道上方侧向岩层的影响主要发生在采动后上区段采空区靠近本区段煤柱(边缘区)上覆岩层的运动。该阶段前期，本区段煤柱(边缘区)上覆各岩梁自下而上以回转下沉为主，此阶段前期老顶来压强度相对较小。阶段后期，随着工作面持续推进老顶岩层发生周期破断，岩块A在回转力矩m和m′的共同作用下向上区段采空区发生一定程度的回转下沉，岩块B向上区段采空区发生较大程度的回转下沉，这种结构运动和围岩的不稳定状态将造成巷道围岩应力的再次重新分布，致使大结构形成较稳定的三角板结构[17-18]。因此，在此阶段区段煤柱需要承载来自直接顶的载荷及悬臂部分岩块的载荷，煤柱垂直应力呈单侧“单峰”分布，如图4所示。

图4 上区段回采后区段煤柱与上覆岩体结构Fig.4 Structure between section coal pillar and overlying rock mass after previous working face mining

2.1.3 本区段开采期(外层对称三角板大结构形成期)

由于老顶岩块破断发生在回采工作面采空区内，此处区段煤柱及回采巷道均处于本区段工作面后方。老顶岩层破断后长边破断线直接与原有关键块沟通，岩块A在回转力矩m和m′共同作用下向本区段发生较大程度回转下沉，岩块B向本区段发生一定程度回转下沉。因此，区段煤柱需要承载来自直接顶的载荷、上区段悬臂部分的静态载荷以及本区段工作面后方老顶破断产生的动态载荷，煤柱垂直应力受两侧工作面回采影响支承应力发生叠加呈“双峰”分布，如图5所示。

图5 本区段回采后区段煤柱与上覆岩体结构Fig.5 Structure between section coal pillar and overlying rock mass after the face mining

上述3个时期中，掘巷和回采时期的巷道围岩应力来源不同。巷道掘进时期围岩应力集中是处于小范围的，而在区段回采时期巷道围岩应力集中主要来自于上覆岩层破断后外部力学环境的变化，其影响程度远大于巷道掘进时期引起的围岩应力集中和重新分布，但是由于覆岩结构中各岩块间的支承条件并没有发生改变，因此其仍会保持随机的稳定结构，不同的则是岩块之间的受力情况发生改变。

因此，只要煤柱留设及支护参数合理，巷道浅部围岩将会形成稳定的小结构，保证其在采掘活动期间不会受到破坏。

2.2 不同尺寸区段煤柱支承压力演化特征

从岩梁中部破坏开始到岩块沉降运动结束，覆岩运动在工作面倾向方向和走向方向在时间上是同步的，故在这2个方向上上覆岩层运动所造成的支承压力显现和运动规律也是同步的。随着工作面的推进，临近煤层支承压力的分布在开采强度及煤层强度相异的条件下大致可划分为3种，单一弹性分布(a)、开始出现塑性区破坏的分布(b)以及破坏深入煤壁内部而出现的有明显内、外应力场的分布(c)，如图6所示。

图6 不同阶段支撑压力分布Fig.6 Support pressure distribution in different stages

当煤柱两侧均为采空区时，煤柱出现对称的应力区变化，可根据煤柱应力变化大小将煤柱由外之内划分为3个应力区：破裂区、塑性区、弹性应力增加区，其应力分布特征如图7所示。

Ⅰ-破裂区；Ⅱ-塑性区；Ⅲ-弹性应力增加区图7 区段煤柱内部应力分布特征Fig.7 Stress distribution characteristics in section coal pillar

区段煤柱宽度留设不仅决定了工作面相互之间的位置关系，而且还对区段煤柱的承载能力以及稳定性有重要的影响。由上述分析可知，随着煤柱宽度B不断减小，煤柱弹性区宽度也随之不断减小，当煤柱留设宽度小于煤柱两侧塑性宽度之和时，即B≤2x0，煤柱不存在弹性区，其完全处于塑性不稳定状态。因此，煤柱中部存在一定宽度的弹性区是保证煤柱稳定的基本条件，其宽度一般认为至少为1～2倍煤柱高度hm。

由此可知，煤柱保持稳定的条件是

B≥2x0+(1～2)hm

(1)

式中B为煤柱宽度，m；x0为塑性区宽度，m；hm为采高，m。

3 区段煤柱塑性区宽度计算

3.1 WILSON A H两区约束理论

根据威尔逊煤柱理论确定煤柱内塑性区、弹性区范围的方法可知，煤柱应力峰值位置作为煤柱单元弹、塑性状态分界点，煤柱两侧应力状态在破坏包络线外发生塑性破坏，应力向煤柱中线区域转移，由加载实验结果可知，煤柱高度、煤层埋深是决定区段煤柱塑性区宽度的重要参数，其三者关系表达式为[19]

x0=0.004 92H*hm

(2)

式中H*为等效埋深，m；hm为采高，平均为2 m。

30101-1工作面为浅埋煤层孤岛工作面，区段煤柱不仅需要承受来自直接顶的重量还需分担采空侧覆岩荷重，其煤体中应力大于常规工作面，因此，在使用威尔逊煤柱理论计算时应当将载荷增加部分简化为等效采深，进而计算煤体塑性区宽度。

(3)

式中B为区段宽度，取150 m；δ为采空区上覆岩层跨落角，65°；H为平均埋深，取120 m。

由上式可知，H*为223 m，hm为2.19 m。

3.2 极限平衡理论

极限平衡理论的基本假设是顶板、底板节理面上的剪应力和正应力与处于极限平衡区内的煤柱需满足摩尔-库伦破坏准则，忽略煤柱内单元体侧向约束应力，塑性区宽度计算表达式为[20]

(4)

式中hm为采高，平均约2 m；H为埋深，取120 m；C为内聚力，1.28 MPa；φ为内摩擦角，34.2°；γ为上覆岩层平均体积力，25 kN/m3；K为回采应力集中系数，孤岛工作面K值大于常规工作面[21]，根据经验取2.5；锚杆对煤帮的阻力pi为0.55；λ为侧压系数，μ为泊松比，取0.29。

由式(2)和式(4)计算煤柱塑性区宽度，x0分别为2.4，3.24 m。因此，结合矿井相邻工作面生产实际情况及上述2种公式理论计算结果综合分析该区段煤柱塑性区理论计算值不小于3 m，区段煤柱临界宽度理论计算值不小于10 m。

4 区段煤柱稳定性数值模拟

4.1 模型建立

为进一步分析区段煤柱破坏特征，确定不同尺寸区段煤柱稳定性，根据南梁煤矿30101和30101-1综采工作面实际地质条件及主要开采参数，采用FLAC3D5.0数值模拟软件建立相应计算模型，如图8所示，模型尺寸为380 m×135 m×380 m，模型在x轴和y轴方向施加水平约束。

图8 数值模拟模型Fig.8 Numerical simulation model

计算模型采用弹塑性本构模型，摩尔库伦破坏准则，各岩层物理力学参数见表1。整个模拟过程为：建立模型→计算平衡→双巷掘30101运输顺槽与30101-1回风顺槽(第1次扰动)→计算平衡后回采30101工作面(第2次扰动)→计算平衡后回采30101-1工作面(第3次扰动)。

表1 岩体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks

由上述区段煤柱覆岩结构及应力演化特征分析可知，区段煤柱在覆岩结构运动的第3时期即外层对称三角板大结构形成期，需要承受来自覆岩直接顶的重量、30101回采后悬臂部分的静态载荷以及30101-1工作面后方老顶破断产生的动态载荷，区段煤柱受开采扰动最大。因此，文中结合理论计算结果模拟区段煤柱宽度分别为8，10，12，15 m时，区段煤柱受开采第3次扰动下的应力分布、塑性区范围以及巷道位移变化，为30101-1工作面区段煤柱尺寸的留设提供依据。

4.2 模拟结果分析

4.2.1 应力分布规律分析

当所建模型开挖至30101-1综采工作面模型中部位置，且模型计算平衡后，截取30101-1综采工作面前方30 m处的垂直应力切片以及塑性区切片，如图9、图11所示。

图9 不同宽度煤柱垂直应力Fig.9 Vertical stress in different widths of coal pillar

从图9、图10综合分析可以看出，当煤柱留设宽度为15 m时，靠近30101-1工作面采空区一侧煤柱所受最大垂直应力约为3.0 MPa，煤柱靠近30101回风顺槽一侧边缘所受最大垂直应力约为3.3 MPa，煤柱两侧位置都存在应力集中区域，中央位置存在原岩应力弹性区，弹性区宽度为12 m，而最大应力集中区位置靠近30101工作面一侧；当煤柱留设宽度为12 m时，煤柱所受垂直应力有所增大，煤柱中央的原岩应力弹性区范围减小，弹性区为9 m；当煤柱留设宽度为10 m时，煤柱所承载的最大垂直应力位于煤柱两侧位置，煤柱所受应力进一步增大，中央位置原岩应力弹性区范围进一步减小，但仍存在4 m的弹性区；当煤柱留设宽度减小至8 m时，煤柱两侧边缘位置垂直应力峰值将重叠，中央位置不存在原岩应力弹性区，而其载荷增大，煤柱所承载的垂直应力近似均匀分布，受上区段采动影响，区段煤柱将遭到破坏。

图10 不同宽度煤柱应力Fig.10 Stress in different widths of coal pillar

基于上述分析，从有效支承面积及煤柱承载能力角度考虑，巷间煤柱尺寸为12 m。

4.2.2 塑性区分布规律分析

从图11可以看出，当煤柱留设宽度为15 m时，煤柱两侧塑性区范围约为2～3 m，靠近30101工作面采空区一侧煤柱塑性区范围略大于另一侧，煤柱塑性区呈拱形分布；当煤柱留设宽度为12 m时，煤柱两侧塑性区范围变化不大，煤柱中央弹性区由于煤柱尺寸减小而有所减小，弹性区占比为67%；为了保证煤柱在开采过程中保持稳定，弹性区占比应不低于60%[22]，而当煤柱留设宽度为10 m时，煤柱中央位置虽存在弹性区，但煤柱两侧塑性区范围扩大，弹性区占比不足40%，煤柱失稳可能性较大；当煤柱留设宽度减小至8 m时，煤柱发生塑性区破坏，煤柱承载能力急剧下降。

图11 不同宽度煤柱塑性区Fig.11 Plastic zone in different widths of coal pillar

4.2.3 巷道变形量分析

从图12可以看出，当煤柱留设宽度由15 m减小至10 m时，巷道顶板变形量由5.2×10-3m增加至7.2×10-3m，巷道帮部变形量由7.5×10-3m增加至9.0×10-3m，巷道顶板及帮部变形量增加较为缓慢，但当煤柱留设宽度由10 m减少至8 m时，巷道顶板变形量由7.2×10-3m增加至9.4×10-3m，巷道帮部变形量由9.0×10-3m增加至1.4×10-2m，巷道顶板及帮部变形量激增。进一步分析可知，孤岛工作面巷道围岩变形量两帮较大。当煤柱留设宽度由15 m减小至12 m时，巷道围岩变形量逐渐增大，但整体趋势相对稳定，巷道围岩较为稳定，而煤柱留设宽度减小至8 m时，巷道围岩变形量急剧增大，回采巷道围岩稳定性较差。

图12 不同宽度煤柱巷道围岩变形Fig.12 Deformation of surrounding rock in different widths of coal pillar

通过上述对理论计算和数值模拟研究分析得出，当煤柱留设宽度为12 m时，30101-1区段煤柱塑性区破坏范围较小，弹性区占比不低于60%，巷道围岩变形量较小，区段煤柱较为稳定。

5 结 论

1)孤岛工作面区段煤柱覆岩结构特征演化分为3个阶段，双巷掘进期、上区段回采期、本区段开采期，后2个阶段引起的大结构运动对煤柱稳定性影响最大。

2)通过两区约束理论和极限平衡理论对南梁矿3-1煤层30101-1孤岛工作面区段煤柱宽度计算得出，该区段煤柱塑性区宽度不小于为3 m，煤柱理论宽度不小于10 m。

3)数值模拟结果表明，该区段煤柱宽度为15～12 m时，弹性区占比超过67%，煤柱塑性区破坏宽度2 m，巷道变形量不大，煤柱未发生失稳破坏；煤柱为10 m时，煤柱原岩应力弹性区受煤柱尺寸及开采扰动急剧缩小，弹性核区宽度为4 m，煤柱两侧塑性区破坏范围扩大，塑性区占比超过60%，巷道变形量骤然增大，而煤柱为8 m时，煤柱已发生失稳破坏。

4)通过理论计算、数值模拟以及相邻工作面区段煤柱留设情况，最终确定优化后的南梁煤矿30101-1孤岛工作面区段煤柱宽度为12 m。