深部倾斜中厚煤层沿空掘巷煤柱留设尺寸研究

苏岳嵘

(山西朔州平鲁区 兰花永胜煤业有限公司，山西 朔州 036900)

随着国家经济技术对煤炭需求的日益增长，煤炭开采逐渐转入深井开采阶段，且深度推进速度逐渐加快，深部开采逐渐成为趋势[1-2]。深部开采条件下，高应力叠加巷道采掘应力，极易引起巷道围岩变形破坏，造成巷道变形失稳，针对上述问题，矿井采用留设大煤柱方式进行巷道维护，这样不仅造成资源浪费，易形成孤岛煤柱，还为下层煤层开采造成困难[3-5]。沿空掘巷作为无煤柱开采的一种形式，分为完全沿空掘巷和留窄煤柱沿空掘巷，两种方式在改善巷道应力的同时，有效降低了煤炭资源的浪费，提高了煤炭回收率[6-7]。

国内外学者针对沿空掘巷煤柱进行了广泛研究。吕情绪等[8]利用数值模拟基于水平应力、垂直应力和位移的演化规律分析不同测压系数下的复合顶板煤层巷道围岩变形特征，确定应力作用范围，并进行不同宽度煤柱下的应力分布特征和位移变形规律分析，确定合理的煤柱留设宽度；许博等[9]基于矿井原煤柱留设尺寸较大，通过分析巷道覆岩力学环境进行煤柱分析；基于极限平衡理论确定合理煤柱宽度，并利用数值模拟进行煤柱水平位移、垂直应力分布及回采巷道变形分析确定煤柱合理尺寸；潘博等[10]对煤柱留设尺寸的影响因素进行分析，基于数值模拟进行不同宽度煤柱的应力云图、位移云图和塑性区的对比，确定最佳煤柱留设尺寸。李俊星[11]针对矿井孤岛工作面回采期间巷道变形大等情况，提出沿空掘巷留设窄煤柱配合水力预裂技术方案，利用数值模拟通过分析煤柱垂直应力分布、围岩变形和围岩塑性区分布情况进行煤柱合理尺寸确定；和树栋[12]基于数值模拟方式进行围岩垂直应力分布和围岩塑性区分布分析确定煤柱留设合理尺寸，并利用极限平衡法进行理论验证；王统海等[13]以深埋巷道为工程背景，通过建立煤柱力学模型分析沿空掘巷煤柱留设影响因素，并进行巷道围岩应力、围岩位移和塑性区演化等因素的数值模拟，确定合理煤柱尺寸。

上述研究极大丰富了沿空掘巷煤柱留设的研究内容，但研究领域多集中于利用数值模拟确定煤柱尺寸，理论分析多以极限平衡法进行分析，然而当煤层倾角较大时，极限平衡区理论准确度不足。本文以某矿25301工作面回风巷为工程背景，通过建立倾角煤柱力学模型进行煤柱尺寸留设研究，并利用数值模拟进行验证，确定合理煤柱宽度，为矿井安全生产提供指导。

1 工程概况

某矿25301工作面位于3号煤层，煤层厚度在1.4 ～4.0 m之间变化，平均煤厚3 m，煤层倾角平均18°，平均埋深622.7 m，煤层走向长732.2～732.4 m，平均732.3 m，倾斜长平均189.8 m.矿井最大主应力作用方位为北西西-南东东，在矿井垂深608～657 m范围内，最大主应力31.8～34.3 MPa，其中最大主应力与最小主应力比值范围为1.93～2.37.

工作面含部分伪顶，伪顶厚度0.2 m，为灰黑色，直接顶为黑色碳质泥岩，厚度2.38 m，基本顶为深灰色粉砂岩，泥质胶结，厚度5.05 m，直接底为深灰色粉砂岩，厚度2.8 m，直接底为灰色粉砂岩，层面附黄铁矿，具有明显的水平或微波状层理。工作面顶底板综合柱状图如图1所示。

图1 煤岩层综合柱状图

2 覆岩顶板破断结构特征

随着工作面不断推进，基本顶覆岩压力及自重超过自身破断强度，发生破断，当工作面持续推进时，基本顶呈现周期性破断，呈现“O-X”破断特征，如图2所示，分别破断成关键块A、关键块B和关键块C，其中关键块A位于工作面煤壁上方，关键块B以断裂线为基准向采空区回转或滑落变形，位于沿空巷道上方[14]，关键块C位于采空区矸石上方压缩下沉，其中关键块B的变形状态对巷道稳定有重要影响，为巷道矿压环境大结构，在上覆大结构稳定后，在下方煤层中进行沿空巷道的掘进，并进行围岩支护，相对于覆岩大结构，巷道围岩内形成的锚固结构称为小结构。

图2 覆岩破断结构特征示意

3 倾斜煤柱支承压力分析

为便于分析支承压力峰值距离巷帮位置，即极限平衡区的范围，建立如图3所示的力学模型和坐标系统[15-16]。

图3 煤柱力学模型

基于图3所示力学模型，根据弹性力学平面应变平衡方程及岩石力学结构面抗剪强度表达式可得极限平衡区范围方程：

(1)

煤柱极限强度实质上指煤柱长期受到垂直荷载的作用下峰值应力点所能达到的极限应力，因此它与其自身的单轴抗压强度和水平方向的约束力有关，因此煤柱极限强度方程可表示为：

σy1=δησc=2.729(ησc)0.729

(2)

联立式(1)和 式(2)可得煤柱极限破坏深度：

(3)

式中：m为工作面采高，m；α为煤层倾角，°；A为侧压系数，A=μ/(1-μ)；μ为泊松比；γ0为煤体平均体积力，MPa；σc为煤岩体单轴抗压强度，MPa；η为煤岩流变系数；Px为上区段工作面巷道煤帮的支护阻力，MPa.

基于矿井实际情况，取m=3.0 m，α=18°，C0=3.0 MPa，A=0.5，Px=0.4 MPa，φ0=32°，γ=0.25 MN/m3，η=0.45，σc=13 MPa，计算得煤柱极限为2.75 m.

因此合理留设煤柱尺寸为：

B=x1+x2+x3

(4)

式中：x1为极限破坏范围；x2为巷帮侧锚杆有效长度；x3为安全有效宽度，一般为x1+x2之和的10%～20%.

结合前述内容可知：x1=2.75 m，x2=1.8 m，则x3=0.15×(2.75+1.8)≈0.68 m，则煤柱留设尺寸B=5.23 m.

为进一步确定方案效果，文章基于数值模拟进行垂直应力和塑性区分布验证，分别选取3 m、4 m、5 m、6 m和7 m煤柱进行试验，通过模型应力提取，获得如图4所示不同宽度煤柱垂直应力分布图。

分析图4可知，当煤柱宽度由3 m变化到5 m时，煤柱应力集中系数分别为1.44、1.51和1.54，当煤柱宽度由6 m变化到8 m时，煤柱应力集中系数分别为1.79、1.81和1.85，在4～5 m煤柱范围内巷道峰值应力变化较小，说明5 m煤柱为煤柱峰值应力拐点。

图4 不同宽度煤柱垂直应力分布云图

为进一步确定煤柱弹塑性状态，通过模型提取获得如图5所示不同煤柱塑性区分布图。

图5 不同宽度煤柱塑性区分布

当煤柱为3 m时，煤柱内部基本破坏完全，由于煤层倾角作用明显，煤柱内部及巷道临近煤柱侧基本呈现剪切破坏；当煤柱为4 m时，煤柱内部完整区域扩大，但中部仍有部分煤柱发生塑性破坏，使得支承能力降低；当煤柱为5 m时，煤柱内部完整区域已经从中部向巷道侧延伸，承载能力进一步提高，煤柱稳定相增强；当煤柱宽度大于5 m时，煤柱完整区域随煤柱宽度增大而增加，破坏区域主要集中在巷道四角位置，近似呈X形分布。

基于前述内容分析确定5 m煤柱为沿空掘巷最佳煤柱尺寸。

4 结 语

本文以某矿2021工作面回风巷为工程背景，针对深部倾斜中厚煤层等特点，进行沿空掘巷煤柱尺寸留设研究，通过建立模型分析，确定如下结论：

1) 对沿空巷道覆岩关键块力学大结构进行分析，确定关键块B的回转变形和滑落失稳是影响巷道稳定性的主要原因。

2) 基于弹性力学建立倾斜煤层沿空掘巷煤柱支承压力模型，并对确定合理煤柱尺寸为5.23 m.

3) 通过数值模拟建立并分析不同宽度煤柱尺寸的垂直应力峰值分布，确定5 m煤柱时，为煤柱应力峰值拐点。