特厚煤层沿空掘巷煤柱塑性区宽度研究

赵腾飞，种 阳，马国伟

(1.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710065；2.渭南陕煤启辰科技有限公司，陕西 渭南 714000；3.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程研究中心，陕西 西安 710065)

0 引 言

目前，国内外对于高地应力和高矿压的处理方式只有加强支护和开采方法避压两种手段。国内许多矿井支护工程都是运用高强度支护和让压组合的方式，采用支护形式上有高强度支撑结构和锚固的技术，支护器具如高强度U型类钢支架棚组、包裹着钢筋或钢管的混合倒梯形高强混凝土等。锚固方式主要采取预加载锚固力的锚(索)杆、对重点区段进行特殊密集加固等，这些都是解决高矿压巷道的必然措施[1-2]。建新煤矿巷道变形剧烈，也曾采取加强支护措施、锚索加粗以及采用全锚索支护等方法，虽有收效，但无法彻底解决问题。除了高强度支护以外，利用采矿矿压转移原理避免巷道长期处于高矿压的方法是可行的，因此沿空留设巷、沿空采掘巷是确切可行的措施。

张玉祥等[3-4]通过将模糊数学和神经元网络结合建立起巷道围岩稳定性识别模型，利用智能决策系统划分出不同宽度的区段煤柱围岩完整区域来明确煤柱稳定性的办法；陈忠辉等[5-6]在大同煤业集团技术中心对忻州窑矿8911工作面综合机械化开采煤岩体块断裂变形特点进行分析，运用FLAC3D软件对综合机械化放采顶板煤层3D回采工作面围岩损伤进行探究，获取3D条件下单元节点应力值、破坏位移值及塑性区变化范围结果；陈学伟等[7]分析山东兖矿集团下属某矿1306工作面沿空掘巷区段矿压活动，采用布置联络巷跨过回采工作面滞后开挖下区段运输顺槽的方法，成功地将区段煤柱范围控制在4 m内；惠兴田[8-9]、谢俊文等[10]对松软煤体特厚煤层煤柱体进行破断监测并结合自稳隐形拱理论分析，在瓦斯浓度高的松软破碎煤层下，运用锚网(索)耦合支护，可以将区段煤柱尺寸控制在5～7 m之间。由此可见，夹矸厚煤层条件下沿空掘巷的煤柱体应力变化规律以及稳定性问题亟需进一步深入地研究。

1 区段煤柱合理宽度计算

1.1 采空区边缘煤柱塑性区计算

根据4203沿空掘巷工作面布置可建立采空区侧煤柱边缘力学计算模型(图1)，由此可建立求解塑性区界面应力的平衡方程(式1)，获得采空区侧煤柱边缘极限强度位置的实际距离[11]。

图1 采空区侧煤柱边缘体力学计算模型

(1)

式中：Ps为采空区侧散落岩体对煤壁面沿x方向的约束力，MPa；τxy为煤层与顶底板界限的剪切应力，MPa；M为煤层厚度，m；xs为采空区侧至煤柱体极限强度作用处的距离，m。

采空区侧煤柱边沿的应力分布和塑性区跨度范围与煤层厚度M、侧压系数β及煤柱体极限强度σys维持正增长，与煤体与顶底板黏聚力C0、内摩擦角φ0、采空侧支护阻力Ps有负向联系。

采空区侧的煤柱情况比较复杂，由于临近202工作面回采工作后塌落的煤体和岩块相互咬合铰接，将采空区充填，这些碎胀的煤岩块与未放煤层段是相互联系的，存在相互耦合关系，同时顶板垮落的煤岩块对煤柱也有侧向的压力，是多种参数耦合作用的结果，因此需将采空区边缘的支护参数考虑进去，可利用经验公式计算，见式(2)。

(2)

式中：γ为破碎煤体重度，kN/m3；M为煤层厚度，m；φ0为煤岩块的内摩擦角，(°)。

将式(2)带入式(1)，能够获得有支护的情形中边缘塑性区宽度的具体计算公式见式(3)。

(3)

将4203工作面地质工况数据代入到式(3)可以获得当煤层厚度M=8 m时，在Ps≠0的情况下宽度xs=2.58 m。

1.2 巷道侧边缘煤柱塑性区计算

根据4203沿空掘巷工作面布置可建立巷道侧煤柱边缘力学计算模型(图2)，由图2可得求解平衡方程(式2)，获得巷道侧煤柱边缘极限强度位置的实际距离[12]。

图2 巷道侧煤柱边缘体力学计算模型

(4)

式中：Pt为掘巷支护对煤壁面沿水平的约束力，MPa；τxy为煤体与顶底板界限处的剪切力，MPa；m为开采煤层厚度，m；xp为运输巷帮至煤柱体极限强度作用处距离，m。

极限平衡区跨度范围是塑性区的宽度，煤体边缘应力分布与煤柱体极限强度σyp(即支承压力峰值)、煤层开采厚度m、侧压系数β、煤体与顶板的黏聚力C0、摩擦角φ0及巷道煤壁面一侧支护阻力Pt都具有密切联系。

由式(4)可以看出，塑性区宽度与煤层埋深、煤层开采厚度、侧压系数保持正相关，与内摩擦角、煤体与顶板的黏聚力和煤帮侧向支护阻力保持负相关。依据国内外的研究报告，在煤层开采深度为100～500 m范围内应力平衡区的宽度范围几乎与开采的深度成正比增长。界面内摩擦角φ0及黏聚力C0对应力极限平衡区跨度范围干扰较广，一般而言，内摩擦角与底板围岩的力学参数及接触面的完整平滑度相关，与岩体自身破坏裂隙发展无关。

随着不断增加的煤厚度层，同样地质情况和支护强度的应力极限平衡区的跨度范围也随之增加，对于特厚煤层条件下，为了使计算的塑性区宽度更符合实际工程情况，要采取适当的措施来保持顶底板的完整，加固巷道围岩体保持巷道完整度。界面黏聚力会随着煤层的破坏而减小，尤其是受到采动的影响，在煤层与顶底板间接触面黏聚力减小的情况下，增加支护参数值对于巷道围岩完整性具有较大的作用，同时也能更好地控制应力极限平衡区宽度范围，保证回采顺利完工。

考虑到区段煤柱属于核心承载区，对于煤柱的承载力的研究尤其重要，而目前采取的Mohr-Coulomb屈服原理、Wilson简化荷载计算公式均未能研究到主动应力的作用，因此采用平面应变状态下的SMP破坏标准，建立空间滑动面研究3个主应力的破坏标准，根据SMP标准煤柱体极限强度计算公式见式(5)～式(7)。

σc=c0cotφ

(5)

σyp=D(γH+σc)-σc

(6)

(7)

式中：C0为煤体黏聚力，MPa；φ为煤体内摩擦角，(°)；σyp为煤体的极限强度(即支承压力峰值)，MPa；σc为主应力表达式中的黏结应力，MPa；γ为煤体的平均体积力，kN/m3；H为煤层埋深，m。

对于建新煤矿4203工作面的实际工况，煤厚度为7.8 m，埋藏深度H=500 m，煤体的内摩擦角φ=36°，黏聚力C0=2 MPa，取煤体的平均体积力γ=25 kN/m3。将建新煤矿实际工况参数代入式(6)中计算得煤柱的极限强度σyp=10.6 MPa。现场测得建新煤矿203工作面其他地质参数为煤层开采高度m=5 m，μ=0.3，β=μ/1-μ=0.428，Pt=0.5 MPa，将测得参数代入式(4)，可得到巷道侧煤柱边缘塑性区宽度xp=2.61 m。

1.3 沿空掘巷区段煤柱合理宽度计算

区段煤柱的完整性受塑性区宽度的干扰较大，塑性区宽度越长，煤柱体易破坏，因此在设计宽度时需要将塑性区的最大情况计算进去，判定煤柱体的合理范围宽度E计算公式见式(8)。

E=k(xp+xs+xh)

(8)

式中：K为煤体采动影响因子，与顶板岩层完整性有关；xp为巷道侧煤柱边缘塑性区宽度，m；xs为采空区侧煤柱边缘塑性区宽度，m；xh为区段煤柱核心承载宽度，m；由于煤层厚度较大，需要增加煤柱宽度的安全量，通常按照(xp+xs)值的30%～50%进行运算。

当煤体开采高度为5 m、煤均厚度为8 m时，取xh=0.4(xp+xs)，k=1.5，依据建新煤矿203工作面实际地质状况参数代入式(8)中可得区段煤柱合理宽度E=10.959 m。

2 数值模拟

2.1 模型建立

4203回采工作面是建新煤矿4-2煤层的主采煤层，井下标高为+790～+874 m，回采工作面东侧为4202工作面，已回采完毕。根据表1建立沿空掘巷数值模拟仿真试验模型(图2)，类似于图3的数值计算模型从3D网格组运用循环法开展相应的分割区分，在巷道附近产生发散，边界处网格宽度最大，区段煤柱和巷道处网格宽度为1 m×1 m×1 m，边界处网格宽度为2 m×2 m×2 m。在模拟过程中，锚杆及锚索采用植入式桁架单元，煤层及其他岩层采用实体单元。

表1 岩层物理力学性质参数

图3 数值计算模型

2.2 模拟结果分析

上区段回采完毕的采空区侧区段煤柱开展相应的应力模拟工作，在确认具体的施工阶段过程中，对于采空区进行相关材质的充填处理，冒落稳定堆积可以将其看作连续体。顺着采空区的方向预置5 m煤柱，后续区间也扩展5 m，对于实际围岩应力变动的具体状况开展论述。对比煤柱边缘应力的具体参数，多种区间的煤柱体即5～20 m四类情形的塑性区变化开展分析(图4)。

由图4可知，20 m宽度的煤柱，顶板位置的下沉量显著超出其他宽度位置，最高变形量为1 325 mm，该数据近乎其他组别最大数值的2倍。结合具体的变形特征可知，由于区段煤柱宽度指标相对较长，会造成顶板之上的岩梁臂出现断裂等问题，回转所带来的弯矩未能进行有效的卸载，没有产生垮落的煤层，可能会由于压力聚集进而造成破断，对于后续的工作面产生滑动下沉的变化，进一步增进相关顶板的下沉现象。

结合图4的变化曲线可知，巷道两侧位置的相对变形量数据超过了中间位置，围岩变形可能会造成应力重分布的现象，对承载区产生显著影响，实际宽度数据为5～10 m，顶板变形量的实际参数在400～600 mm之间，10 m位置最低变形参数为347 mm，相对于10 m和15 m宽度而言，由于核心区可以较好地承载两侧断裂挤压所产生的变动，煤岩体转移到相应的塑性区，但没有出现破坏现象，边缘支撑实际位于降低区的位置，可以达到较为理想的泄压效果，也可大大节约煤炭资源。

图4 区段煤柱不同宽度顶板下沉量变动

对巷道直接顶30 m区域内x方向和y方向应力进行分析，绘制不同宽度下掘巷顶板应力分布变化曲线如图5和图6所示。

图5 不同煤柱宽顶板30 m区间的水平应力变化

图6 不同煤柱宽度下巷道顶板30 m范围内垂直应力变化曲线

由图5和图6可知，距巷道顶板5 m处的水平应力值最大，同一宽度下，水平应力先增加后降低，再缓慢增加，煤柱宽度为20 m时水平应力变化范围较大，通过观察5 m、10 m、15 m处水平应力可知，其变化范围大致在8～30 MPa，平均应力值在20～25 MPa趋于稳定，沿空掘巷开挖巷道受到采空区侧边缘应力影响和区段煤柱侧向水平挤压作用，对于巷帮的支护阻力要求很大，预留的煤柱宽度较小时，加快掘进速率，可大大降低水平应力的集中现象，对于顶板的支护管理有显著作用。

煤柱宽度为20 m时，由于上覆岩梁体的破坏导致拱形结构变形，不能够提供稳定的承载结构，上部垮落的岩体块产生滑落下沉，对于垂直方向应力过大，距离顶板为15～20 m距离的垂直应力增加速率降低，顶板上部开采煤层厚度为8 m左右，垂直应力降低说明有效的支护形式和合理的煤柱宽度对综采放顶煤有一定的碎煤作用，观察5 m、10 m、15 m竖向压力范围是10～30 MPa，距顶板20 m范围外竖直压力有所降低。

3 结 论

1) 本文通过建立极限平衡区计算模型，针对建新煤矿4203工作面地质参数计算得到采空区侧煤柱边缘塑性区宽度。

2) 综合分析多种区段煤柱宽度，引发实际的应力变动以及重分布现象，对于煤柱核心区域的实际承载力出现显著转变，通常会产生常规预留的煤柱宽度过度增长的变化，因此而造成承载能力有一定程度的下降，煤柱之中会产生显著的应力叠加，内部则会有岩体遭到破坏，过宽的煤柱可能会造成挤压变形裂隙发育，下沉现象显著，大幅度提升人工投入，干涉到掘进效率。

3) 研究边缘应力以及塑性区的相关分析数据，比较相关的模拟实验数据，可验证宽度，对类似场景的作业给予良好的借鉴。