上覆遗留煤柱下孤岛工作面小煤柱宽度研究

2023-01-14赵丽娟

山西大同大学学报(自然科学版) 2022年6期

李迎，赵丽娟

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037009）

在“双碳”目标下，煤炭依旧在我国能源安全中起到兜底保障的作用[1]。沿空掘巷小煤柱开采作为我国煤矿采煤方法的重大改革技术，已经在国内许多煤矿中得到应用。而沿空掘巷小煤柱的留设宽度受地质构造等因素的影响较大[2]，所以还需要考虑上覆煤层遗留煤柱对所处煤层工作面沿空掘巷的影响。

同忻矿8102 工作面巷道以往留设的是宽煤柱，可以有效隔离上区段采空区的水、火、瓦斯等有害物质进入下区段工作面[3]，但遗留宽煤柱会使煤炭资源浪费严重，巷道围岩的变形量增大[4]，与煤炭的安全高效开采目标不相符。故结合同忻矿8102 孤岛工作面的具体地质条件，通过理论计算与Flac3D数值模拟确定合理的小煤柱留设宽度，并分析上覆煤层遗留煤柱对8102 孤岛工作面的应力影响规律。

1 工程概况

同忻矿8102 工作面对应地表位于紫金沟、狼儿沟以北山沟及山梁一带。矿井地处3～5#煤层北部一盘区，东部为实体煤，北部为8103 采空区，西部为三条盘区大巷，南部为8101 采空区。由于8101、8103 工作面已回采完毕，所以形成了孤岛工作面的形式。与侏罗纪14#煤层间距约为180 m，距地表距离为396～501 m。8102工作面长度为240.25 m，2102 巷道长度为1 822.66 m，5102 巷道长度为1 831.05 m。8102 工作面所采煤层的平均厚度为16.7 m，煤容重1.43 t/m3，煤层倾角0°～4°，平均为1°。工作面位置示意图如图1；工作面综合柱状图如图2。

图1 工作面位置示意图

图2 工作面综合柱状图

2 小煤柱合理宽度理论分析及计算

2.1 沿空掘巷弧形三角块体的结构模型

在工作面回采结束后，顶板会相继发生垮落，形成三角滑移块体。由于三角块体的破断运动，垮落岩层的一部分载荷会转移到采空区，使得垮落后岩层稳定时的侧向支撑压力峰值降低，在受到侧向支撑压力的影响后，塑性区的范围有所增大，岩层垮落形成稳定结构后的侧向支撑压力的分布范围相比于形成稳定结构之前较大，侧向支撑压力峰值降低。三角形滑移区的力学模型如图3。

图3 三角形滑移区的力学模型

岩层垮落形成稳定结构后，三角块体会向采空区滑移，各岩层以移动边界线为铰接点向采空区回转。三角块体与采空区的断裂岩层接触后，采空区的断裂岩层对三角块体有支撑力F3和摩擦力F4，采空区冒落的矸石对破断岩层有支撑力F2；悬臂梁破断后，下方的岩层对其有支撑力F1。

2.2 理论计算

8102 孤岛工作面沿空掘巷以往留设的是宽煤柱，不仅会造成资源回收率低，还会使巷道围岩应力集中，巷道围岩变形量大，区段煤柱发生失稳破裂，巷道维护困难。如果留设煤柱宽度过窄，会导致煤柱破裂严重，巷道围岩稳定性差，锚杆固力不足，起不到支护巷道的作用，工作面回采生产困难。

通过理论计算得到合理的小煤柱宽度，能够使巷道围岩变形量变小，避免矿井灾害的发生，使得上区段采空区的水、火、瓦斯涌入下区段工作面的现象得到有效防治，提高资源回收率和经济效益。

根据极限平衡理论[6]，有：

式中：X0为塑性区宽度，m；h为煤层的平均厚度，m；K为应力集中系数；γ为岩层平均容重，N/m3；px为对煤帮的支护阻力，kN；A为侧压系数，A=μ/(1-μ)，μ为泊松比；φ0为内摩擦角；c0为内聚力；H为煤层埋深，m；B为窄煤柱宽度，m；X1为相邻工作面回采后形成的采空区在顶板以及围岩压力共同作用下的塑性区变形宽度，也就是极限平衡区宽度，m；X3为锚杆长度，m；X2为补充煤柱宽度，一般为（X1+X3）×（15%～35%），m。

窄煤柱宽度的计算模型示意图如图4。

图4 窄煤柱宽度的计算模型示意图

对同忻矿8102工作面来说，已知：h＝16.7 m，K＝3，γ＝1.43 t/m3，px＝1.1 MPa，μ＝0.47，A＝0.91，φ＝28°，c0＝1.8 MPa，H＝464.35 m。从而由式(1)、(2)求得：X1＝2.0 m，X3＝2.8 m，X2＝0.72～1.68 m。最终得出B＝5.52～6.48 m。

3 数值模拟及分析

Flac3D对于解决岩土工程和采矿工程具有很强的专业性和针对性，在采动支撑压力作用下巷道围岩的变形具有良好的处理能力，所以使用Flac3D建立数值模型[7]。模型尺寸1 000 m×150 m，共划分14 000 个网格单元，如图5。在8102 工作面对应3～5#煤层中间位置布置测线，监测从8101工作面采空区左侧边缘至8103 工作面右侧边缘的应力分布情况。数值模型建立完成后，对各岩层进行力学参数赋值，见表1。通过计算可得应力曲线分布如图6。

图5 数值模型

表1 各岩层力学参数

图6 可以看出，在距离8103 工作面边缘30 m 位置出现应力峰值（15.87 MPa），在采空区边缘位置应力出现最小值，在8102 工作面中间位置应力接近于原岩应力值。其中，应力降低区为距离采空区边缘14 m范围内。

王姐拍拍我肩头，坐到我身旁说：妹夫，听姐一句话，老妹在这件事上想的没毛病，换我也会这样想。换你也一样。这事就应该和你兄弟姐妹打招呼。她不打招呼，你王姐这都说不过去。

图6 8102工作面垂直应力分布曲线

通过理论计算以及数值模拟，考虑到以最安全的应力降低区范围来设计巷道位置，取理论计算与数值模拟结果中的最小值，即应力降低区范围为14 m。由于8102 工作面两顺槽的巷道最大宽度为5.5 m，所以区段煤柱留设宽度应小于8.5 m。为确保8102 工作面的回采巷道处于应力降低区范围内，同时提高资源回收率，设计选用留设6 m 小煤柱的方案就能够充分满足8102 工作面的生产需求，确保工作面的安全可靠回采。

4 遗留煤柱对8102工作面的影响

由于在14#煤层中存在采空区，在盘区巷附近遗留有保护煤柱，同时采空区之间也有许多区段煤柱的存在。上煤层中的集中保护煤柱以及区段煤柱往往会产生集中应力并且向下传递，会对下覆煤层开采的应力环境产生影响[8]，导致出现矿压显现等问题。为了准确了解上覆14#煤层遗留煤柱是否会对8102工作面的回采及应力环境产生影响，对图7所示的位置进行模拟。

图7 模拟位置示意图

4.1 模拟方案

根据同忻矿的地质条件，建立模型如图8。模型共划分14 400个单元，尺寸400 m×350 m，在模型底部固定竖向位移，两边固定横向位移。模型中加入分界面以模拟采空区垮落后顶板与底板的接触情况。在顶部施加2.5 MPa的垂直应力以模拟上覆岩层自重，根据同忻矿8102工作面相应的岩层参数对模型进行赋参。

图8 模型示意图

4.1.1 I-I剖面模拟方案

14#煤层中所存在的盘区巷保护煤柱在I-I 剖面方向上平均宽度为120 m。在模型对应14#煤层的位置分别对盘区北翼的工作面以及盘区南翼的工作面进行开采。计算平衡后记录3～5#煤层中的应力分布曲线。模拟方案及测线布置如图9。

图9 I-I剖面模拟方案及测线布置

4.1.2 II-II剖面模拟方案

14#煤层中8205 工作面倾向长度为90 m，8207工作面倾向长度为95 m，中间留设18 m 的煤柱。在模型对应14#煤层的位置分别对8205 工作面以及8207 工作面进行开采。计算平衡后记录3～5#煤层中的应力分布曲线。模拟方案及测线布置如图10。

图10 II-II剖面模拟方案及测线布置示意图

4.2 模拟结果分析

4.2.1 I-I剖面模拟结果

模型达到平衡后的垂直应力及垂直位移云图如图11。

图11 I-I剖面云图

图11 可以看出，上层盘区巷道附近所遗留的保护煤柱在两侧采空的情况下产生了集中应力并以一定的角度向下传递。由于煤柱宽度达到了120 m 左右，所以对3～5#煤层的应力环境产生了一定影响。

图12 可以看出，由于上层所遗留的盘区保护煤柱产生的应力集中影响，3～5#煤层中所对应位置出现了应力集中现象。应力峰值位置位于3～5#煤层对应上层盘区保护煤柱中部，大小为10.54 MPa，应力集中系数为1.1。应力升高影响范围为3～5#煤层对应上层遗留煤柱中部位置附近140 m。所以，在后续的支护设计中应对相应应力增高区域范围进行划分，并设计具有针对性的加强支护措施。

图12 3～5#煤层应力监测曲线

4.2.2 II-II剖面模拟结果

模型达到平衡后的垂直应力及垂直位移云图如图13。可以看出，由于14#煤层与3～5#煤层的层间距较大，且采空区底部处于应力降低区，14#煤层遗留煤柱所产生的集中应力在向下传递80 m 左右时就已经开始低于原岩应力水平，不再产生集中应力影响。3～5#煤柱中部位置垂直应力反而在上覆采空区的应力降低影响下较两边有所下降。

图13 II-II剖面云图

图14 可以看出，在模型两侧3～5#煤层的应力值接近于原岩应力值，而在中部位置垂直应力有所降低，但总体的应力比较平缓，其最大值与最小值只差仅在1 MPa 左右，并且垂直应力在上层采空区的作用下有所减小。因此，有理由认为，由于14#煤层与3～5#煤层之间的层间距较大，14#煤层中存在的遗留区段煤柱不会对3～5#煤层的开采产生较大影响。