浅埋厚煤层井田边界煤柱稳定性研究

田 丰

(淮河能源西部煤电集团有限责任公司 泊江海子矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

0 引言

神府煤田煤炭资源丰富，煤矿主要开采浅埋近距离煤层群，由于历史原因，部分煤矿井田边界发生了变动，井田边界附近形成大量巷柱采空区，对区段煤柱、边界煤柱的留设带来了较大的难题[1-2]。边界煤柱宽度留设涉及许多因素，主要有矿井地质和水文地质条件、开采方法、煤层埋藏深度、围岩性质和产状、矿压、覆岩采动破坏参数及采动后煤柱屈服带的宽度等因素[3-5]。另外，大量开采实践及现场观测结果显示[6-7]，近距离煤层工作面在推出上覆遗留煤柱时，易表现出强烈的矿压显现，工作面煤壁片帮严重、支架安全阀大量开启、端面冒顶以及两巷底臌等现象时有发生；甚至还会发生支架活柱急剧下缩、飓风冲击等动载矿压灾害。

目前，煤柱稳定性评价方法尚无统一的标准，主要有经验公式法、理论计算法、数值模拟法、现场实测法等[7-9]。本文以神府矿井相邻的海湾煤矿三号井2206综采工作面和王才伙盘煤矿2201综采工作面为例，综合采用理论计算、数值模拟方法对浅埋厚煤层常规开采时和卸压开采时边界煤柱的稳定性进行研究，研究结果对同类型问题的解决具有一定借鉴意义。

1 研究区概况

海湾煤矿三号井东部与王才伙盘煤矿井田边界线发生变动，造成海湾煤矿三号井2206工作面的一条运输巷(图1中废弃巷道)与王才伙盘煤矿2201工作面运输巷均紧邻井田边界线。2206综采工作面走向长度1 212m，里段倾向长度138m，外段倾向长度23m，总计161m，设计采高7.2m；王才伙盘煤矿2201综采工作面走向长度1 212m，工作面初期长度400m，推进350m后工作面长度逐步减至100m，工作面设计采高6.2m。目前，2206工作面回风巷侧保护煤柱宽度由南向北逐渐变窄，工作面最后推进410m范围内回风巷侧保护煤柱宽度仅为10m，而作为相向推进的2201工作面运输巷初期推进410m范围内运输巷侧保护煤柱宽度也仅为12m。

图1 海湾煤矿三号井与王才伙盘煤矿边界煤柱留设示意图Fig.1 Coal pillar retention diagram of the boundary between No.3 well of Gulf Coal Mine and Wangcaihuopan Coal Mine

2206工作面和2201工作面上部2-2上煤均已开采完毕，目前均开采2-2煤层。开采区域内2-2煤层倾角0～1°，地面标高为1 228～1 250m，底板标高1 137～1 147m，煤层埋深91～103m。2-2上、2-2煤层顶底板岩石力学性质,见下表。

表 煤岩层物理力学性质参数一览表Tab. List of physical and mechanical properties parameters of coal strata

2 煤柱稳定性力学分析

2.1 煤柱载荷的确定

目前国内外研究普遍认为，煤柱上的载荷是由煤柱上覆岩层重量及煤柱一侧或两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分重量所引起的，如图2。

图2 煤柱载荷估算模型Fig.2 The estimation model for coal pillar load

可用以下公式计算单位长度煤柱上的荷载，即：

(1)

式中：

P—单位长度煤柱上的总荷载，MPa；

γ—上覆岩层平均岩重，此处取0.023MN/m3；

H—巷道埋深，此处取99m；

B—煤柱宽度，m；

D—采空区宽度，m；

δ—采空区上覆岩层垮落角，此处取75°。

针对公式(1)作近似简化，将海湾煤矿三号井2206工作面10m边界煤柱与王才伙盘煤矿2201工作面12m边界煤柱作为一个整体考虑，即假定边界煤柱宽度为22m，并将边界煤柱两侧采空区宽度简化为161m。则煤柱单位面积的平均载荷即平均应力为：

(2)

将相关数据代入公式(2)可得24m整体边界煤柱的平均载荷为17.19MPa。因此，将海湾煤矿三号井2206工作面10m边界煤柱与王才伙盘煤矿2201工作面12m边界煤柱的载荷均近似取为17.19MPa。

2.2 煤柱承载强度的确定

煤柱承载强度不仅与煤块的强度有关，且取决于煤柱尺寸、载荷与时间演化等因素。针对煤柱尺寸而言，采用Hustrulid的方法将实验室煤样强度转换为现场临界立方体试件的单轴抗压强度，以消除煤体参数的尺度效应[10]。具体公式为：

(3)

式中：

σc—煤样单轴抗压强度，MPa；

σm—现场临界立方体试件单轴抗压强度，MPa；

D，d—试件尺寸，m。试件为圆柱形，D为试件直径，d为试件高度。

依据海湾煤矿三号井提供的相关地质资料，2-2煤层的单轴抗压强度σc=16.2MPa，试件为圆柱形试件，D=5cm，d=10cm，代入得现场煤体临界立方体单轴抗压强度σm=11.5MPa。

现分别用2种具有代表性的煤柱强度计算公式计算煤柱强度：

(1) Obert.Dwvall/Wang公式：

(4)

式中：

σs—煤柱的承载强度MPa；

w—煤柱的宽度，m；

h—煤柱的高度，m。

海湾煤矿三号井2206工作面边界煤柱的高度取7.0m；王才伙盘煤矿2201工作面边界煤柱高度取7.0m。

代入得：σq′海 =12.6MPa；σq′王=13.3MPa。

(2) Salamon.Munro公式：

(5)

将数据代入得：σq′′海=9.2MPa；σq′′王=9.99MPa。

从安全角度出发，取计算结果的最小值，即海湾煤矿三号井2206工作面与王才伙盘煤矿2201工作面边界煤柱的承载强度分别确定为9.2MPa和9.99MPa。

2.3 煤柱稳定性分析

留设煤柱的目的是确保一定范围内的顶板稳定，保证煤柱不受破坏而防止上覆岩层失稳。在此引入煤柱稳定性系数作为判断煤柱由稳定至破坏的指标，以此评价边界煤柱的稳定性。稳定性系数求解方法是：煤柱承受的平均应力与通过现场取煤样计算得出的煤柱抗压强度的比值，计算式为：

(6)

式中：

σq—原位煤柱强度，MPa；

σ—煤柱所承受的平均荷载，MPa。

代入可得：海湾煤矿三号井侧的边界煤柱稳定性系数为0.54；王才伙盘煤矿侧的边界煤柱稳定性系数为0.58。

根据上述煤柱稳定性系数计算结果可知，煤柱高度在6

3 切顶卸压处理时边界煤柱稳定性数值模拟研究

3.1 切顶方案及数值模拟方案设计

海湾煤矿2206工作面开采时，由于边界煤柱受到二次扰动影响，煤柱塑性区和王才伙盘2201工作面采动塑性区出现塑性叠加，同时煤柱垂向载荷逐渐逼近其极限载荷。因此，基于保证边界煤柱稳定性，保障工作面安全生产考虑，采用工序简单、工程量小的切顶卸压技术对沿空巷道顶板实施超前预裂，切断沿空巷道顶板与采场直接顶、基本顶的联系。通过模拟切顶卸压后边界煤柱塑性区分布及应力演化情况，分析边界煤柱稳定性和切顶卸压效果。

(1)切顶卸压方案设计。2201工作面由北向南先行推进过程中，每隔一段推进距离将紧邻边界煤柱一侧采空区顶板进行切顶处理；2206工作面由南向北推进时同样将紧邻边界煤柱一侧采空区顶板进行切顶处理。切顶孔与垂直方向夹角为15°，孔间距6m，煤柱区域切顶范围大概为400m左右。基于煤岩层物理力学性质(见上表)进行相关设计，选择2个工作面的预裂切顶缝孔深均为30m。顶板爆破孔剖面,如图3。

(2)数值模拟方案设计。数值模拟采用FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)3D程序进行分析。数值分析模型整体尺寸为长×宽×高=360m×300m×68m，模拟走向推进300m，两个工作面以及留设煤柱之和为360m，模拟各岩层累计厚度为68m。三维有限元计算模型网格剖分，共划分631 000个单元,如图4。

图3 顶板爆破孔剖面图Fig.3 Section of roof blasting hole

图4 三维有限元计算模型网格剖分Fig.4 Grid division of 3d finite element calculation model

3.2 切顶卸压处理时煤柱塑性区分布情况

图5(a)为切顶处理后2201工作面推进100m时边界煤柱塑性区分布，由图可以看出塑性区主要分布在工作面前方煤壁处，边界煤柱仅发生零星剪切破坏，对煤柱稳定性没有影响。图5(b)表示2201工作面推进200m时边界煤柱塑性区分布，靠近2201采空区一侧边界煤柱仅出现零星剪切破坏，同时2206工作面一侧煤柱破坏区域开始增加。图5(c)-(d)显示随着工作面的不断向前推进，2201采空区一侧边界煤柱塑性破坏没有进一步发展，2206工作面一侧边界煤柱塑性破坏随着工作面推进向前，塑性区约占整个煤柱体积的40%，采动影响进一步加剧。分析原因应该是在切顶卸压时采用先开采先切顶2201工作面，后开采后切顶2206工作面的方法，导致覆岩应力向后切顶卸压的2206工作面侧边界煤柱转移。

图5 切顶处理时2201工作面推进过程中边界煤柱塑性区分布Fig.5 Plastic zone distribution of boundary coal pillar during the advance of working face 2201 at headcutting treatment

图6(a)-(b)为切顶处理后2206工作面推进100、150m过程中边界煤柱塑性区分布情况。塑性破坏主要出现在2206工作面一侧煤柱，集中出现在工作面后方采空区煤柱。图6(c)-(d)为切顶处理后2206工作面推进200、300m过程中边界煤柱塑性区分布情况，随着工作面不断推进，以当前工作面为分界面，工作面前方煤柱塑性区仅出现零星破坏(150～200m范围内)，其工作面后方煤柱出现贯穿破坏。分析原因认为2206工作面边界煤柱宽度较窄，开采时受到二次扰动影响，导致其塑性破坏较严重。从整个边界煤柱塑性区分布情况来看，破坏主要分布在工作面后方采空区。工作面及前方煤柱有足够的弹性区，且核区率达到60%以上，能有效支撑上覆岩层重量和承受附加侧向应力的影响。

图6 切顶处理时2206工作面推进过程中边界煤柱塑性区分布Fig.6 Plastic zone distribution of boundary coal pillars during the advance of working face 2206 at capping treatment

3.3 切顶卸压处理时边界煤柱垂向应力演化分析

煤柱出现塑性区说明该区域进入了变形不可恢复的塑性屈服阶段，但并不意味煤柱失去了承载力。通过观察煤柱内部应力演化，能更好的分析煤柱稳定性。

图7(a)显示当2201工作面推进50m时，2206工作面一侧边界煤柱载荷最大，其值为3.5MPa，2201采空区一侧煤柱载荷约为3.0MPa，两个边界煤柱载荷不相等，此时煤柱能够保持稳定。图7(b)

图7 2201工作面推进过程中边界煤柱垂向应力演化情况Fig.7 Vertical stress evolution of boundary coal pillar during the advance of working face 2201

显示工作面推进100m时，两个边界煤柱垂向载荷基本一致，载荷约为3.75MPa左右，边界煤柱安全性有保证。另外，工作面推进150、250m时2个边界煤柱垂向应力基本保持一致，边界煤柱载荷稳定在4.0MPa左右，实际所承受载荷远小于理论极限强度，说明2201工作面开采时处于安全稳定状态。

图8为切顶卸压后2206工作面开采时边界煤柱垂向应力演化情况。图8(a)-(b)显示当2206工作面推进50、100m时，2个边界煤柱垂向应力由之前的4.0MPa增加到5.0MPa，沿空巷的切顶效果非常明显。图8(c)表明当工作面推进150m时，2206工作面一侧煤柱垂向载荷增加到8.0MPa左右，2201工作面一侧边界煤柱垂向载荷为6.0MPa，边界煤柱稳定性能够保证。工作面推进200、250m时2个边界煤柱垂向应力基本保持在8.0MPa左右，采动影响趋于稳定。未切顶卸压时煤柱垂向最大应力为11.0MPa，切顶卸压后煤柱垂向应力最大为8.0MPa。模拟结果表明切顶卸压后煤柱所受载荷小于理论极限强度，因此，2206工作面开采时边界煤柱处于安全稳定状态。

图8 2206工作面推进过程中边界煤柱垂向应力演化情况Fig.8 Vertical stress evolution of boundary coal pillar during the advance of working face 2206

4 结论

(1)通过力学分析，估算海湾煤矿三号井2206工作面10m边界煤柱与王才伙盘煤矿2201工作面12m边界煤柱的载荷均近似为17.19MPa。同时，采用2种经典理论公式分别计算边界煤柱的承载强度，2206工作面边界煤柱的承载强度为9.2MPa，2201工作面边界煤柱的承载强度为9.99MPa。

(2)根据煤柱稳定性系数的判定指标，得出海湾煤矿三号井2206工作面的边界煤柱稳定性系数为0.54，王才伙盘煤矿2201工作面的边界煤柱稳定性系数为0.58，2个工作面边界煤柱稳定性系数k值均小于2，判定海湾煤矿三号井与王才伙盘煤矿分别留设的10m与12m边界煤柱在2206与2201工作面采后均处于失稳和残余变形状态。因此，为了维持边界煤柱的稳定性，应采取必要的技术措施。

(3)采用FLAC 3D模拟软件对切顶卸压处理时煤柱塑性区分布及垂向应力演化进行模拟分析。边界煤柱的塑性区分布表明：随着2206工作面不断推进，以工作面为分界线，其前方煤柱塑性区仅出现零星破坏，其后方采空区煤柱出现贯穿破坏。工作面前方边界煤柱有足够的弹性区，且核区率达到60%左右，能有效支撑上覆岩层重量和承受附加侧向应力的影响。边界煤柱垂向载荷演化规律表明：切顶卸压后10m边界煤柱垂向应力最大为8.0MPa，相对于未做切顶处理时11.0MPa的最大垂向应力已大幅降低，说明切顶卸压能较大缓解煤柱承载，对保障工作面安全生产有一定的作用。