深埋强冲击煤层工作面区段煤柱宽度确定

石超弘，苏士杰，丁国利，于辉华，解嘉豪

(1.中天合创能源有限责任公司煤炭分公司 葫芦素煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017300；2.中煤能源研究院防冲控水研究所，陕西 西安 710054)

区段煤柱是起支撑作用的主体结构，主要用于隔离采空区、保证相邻回采巷道围岩稳定，所以，回采巷道的变形破坏很大程度上取决于煤柱留设宽度。正确合理的煤柱尺寸可以最大限度地降低巷道围岩的应力集中程度，缓解开采过程中的冲击危险。据统计资料显示，10%左右的冲击地压事故是由于不合理煤柱宽度导致应力异常集中诱发冲击[1-7]。

国内外学者对煤柱合理尺寸的确定方法进行了很多研究，对于区段煤柱留设分以下几种：一是留设大煤柱，确保上、下回采工作面采动互不影响，但该种煤柱内存在弹性应力区、应力增高区[8]，会造成本煤层临空大煤柱巷道处于高应力区，当下伏煤层开采时应力集中程度升高、冲击危险程度上升；二是留设小煤柱[9]，但煤柱过宽可能躲不过应力增高区或是煤柱过窄起不到护巷作用，且受地质条件限制，煤柱尺寸不能完全依赖经验设定；三是无煤柱开采。文献[10-12]通过有限差分软件FLAC3D分析了工作面回采期间不同煤柱宽度下巷道围岩应力与位移演化特征；文献[13-15]采用FLAC 研究了煤柱应力、围岩变形与煤柱宽度之间的关系; 徐佑林等[16]建立FLAC3D模型分析了动压对塑性区发育范围的影响。文献[17-19] 则通过离散元软件UDEC研究了窄煤柱合理宽度以及不同区段煤柱宽度下的区段煤柱应力分布规律。丁自伟等[20]通过分析Wilson两区约束理论的问题与不足，修正了有关塑性区宽度和矿柱强度的计算公式。本文以葫芦素煤矿21103工作面为研究背景，采用理论方法、数值模拟及现场实测方法，对煤柱极限平衡区宽度进行了计算，从煤柱应力和围岩变形两方面入手构建了不同煤柱宽度下的数值模拟运算，并结合煤柱不同深度应力监测方案，综合分析确定出适于葫芦素煤矿地质条件下的合理煤柱尺寸。

1 矿井概况

葫芦素煤矿目前主采2-1煤层，埋深达650m，经鉴定煤层具有强冲击倾向性，顶底板均具有弱冲击倾向性，2-1煤层布置5个盘区，现回采一盘区、二盘区，21103工作面是葫芦素煤矿东翼一盘区继首采面21102工作面的第2个工作面，工作面区段煤柱留设30m，两巷均采用锚网索支护，锚杆规格为∅22mm×2500mm，锚索规格为∅21.8mm×7200mm。21103工作面布置如图1所示。

图1 21103工作面布置

根据前期研究表明：区段煤柱受多次扰动内部积聚了大量压缩弹性能，下工作面回采时，受移动超前支承压力、硐室及联巷周边集中应力的影响，临空宽煤柱内静载荷水平进一步升高，在顶板断裂等强动载作用下，瞬间达到煤柱冲击失稳的临界载荷，导致抗冲击能力降低的巷道围岩瞬间被破坏形成冲击显现事故。

2 合理煤柱尺寸确定

2.1 合理煤柱尺寸的理论计算

临空煤柱力学模型如图2所示，根据煤岩体极限平衡理论推导出煤柱能够保持稳定状态的计算公式，得出合理煤柱宽度B：

B=x1+x2+x3

(1)

式中，x1为采空区侧煤柱内形成的极限平衡区宽度，m；x2为锚杆锚固段至巷道煤壁的宽度，m；x3为安全宽度，m。

图2 临空煤柱力学模型

根据摩尔-库伦准则和弹性力学可推导得出采空区侧煤柱内部形成的极限平衡区宽度[21]：

式中，M为巷道高度，取2.8m；α为煤层倾角，取0°；β为侧压系数，β=μ/(1-μ)=0.41,其中，μ为泊松比，取0.3；φ为内摩擦角，取40°；c为粘聚力，取2.3kN/m2；K为应力集中系数，取1.3；H为煤层埋深，取650m；γ为上覆岩层平均体积力，取25kN/m3；Px为上工作面回采巷道支架的支护阻力，由于上工作面已回采，因此取0。

由式(2)可以得出，x1=5.6m；根据2-1煤层巷道支护参数可知，x2=2.4m。

安全宽度x3=0.15(x1+x2)～0.35(x1+x2)。那么，根据理论推导得出区段煤柱宽度B=9.1～10.7m。

2.2 不同煤柱宽度的数值模拟分析

工作面间区段煤柱宽度对煤矿冲击地压灾害的发生具有重要影响。对区段煤柱宽度的研究要同时兼顾考虑应力与变形两方面因素。在应力方面，合理的区段煤柱应使巷道避开采空区支承压力峰值区，且煤柱内的应力应得到充分释放，煤柱内无“弹性核”区；在位移方面，区段煤柱应具有一定的承载能力和稳定性。

2.2.1 应力分析

在应力方面，结合葫芦素煤矿保护层开采的特点，分别研究了2-1煤层综采工作面回采巷道在5m、10m、15m、20m、25m、30m、40m、50m等不同的煤柱宽度条件下，采场围岩的应力分布规律，并进行了类比分析。模型与葫芦素煤矿实际开采条件相同，模拟方案如图3所示。

图3 数值模拟煤柱模型方案

不同宽度煤柱顶板垂直应力分布如图4所示，从图4可以看出，煤柱宽度从5m变化到50m时，煤柱应力呈先增大后减小的趋势，煤柱宽度为15m时应力最高，此时煤柱内应力集中系数可高达4.8，冲击危险性最强；煤柱宽度为5m时应力最低，此时煤柱几乎完全压酥，煤柱内应力充分释放，冲击危险较低。

图4 不同宽度煤柱顶板垂直应力分布曲线

综上，从应力区段煤柱宽度小于5m时对防冲最为有利，当区段煤柱宽度处于15～20m是最危险的情况，整体有：σ(15m)>σ(20m)>σ(25m)>σ(30m)>σ(40m)>σ(50m)>σ(10m)>σ(7m)>σ(5m)。

峰值应力大小分析：σ(15m)>σ(20m)>σ(25m)>σ(30m)>σ(40m)>σ(50m)>σ(10m)>σ(7m)>σ(5m)。煤柱应力呈先增大后减小的趋势，煤柱宽度为15m时应力最高，10m煤柱峰值应力与50m煤柱效果接近，从峰值应力大小来看，10m煤柱在应力水平上要低于10m以上煤柱，但安全性上较10m以下煤柱要高。

峰值应力分布分析：5m煤柱峰值应力最小，但巷道实体煤帮处会出现最大的峰值应力，工作面侧会出现明显的应力集中，15m煤柱时，煤柱侧帮会出现最大的峰值应力。

2.2.2 位移分析

采用数值模拟对不同宽度煤柱的变形特征进行分析。模拟巷道宽度为5m×5m，巷道左帮为实体煤，右帮为煤柱，煤柱右侧为采空区。在模拟条件下，对5～50m煤柱宽度时巷道的顶板、底板、实体煤帮及煤柱侧帮位移数据进行统计，为便于观察，对数据进行放大10倍处理，并将其投影于5m×5m的网格内，绘制得出不同煤柱宽度的巷道位移曲线，如图5所示。根据模拟煤柱宽度从5～50m巷道位移数据可得：①对于巷道顶板，其位移量逐级递减，即：U(5m)>U(10m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m) ；②对于巷道底板，其位移量逐级递减，即：U(5m)>U(10m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m) ；③对于巷道实体煤帮，其位移量逐级递减，其中煤柱宽度从5m增加到20m时其递减速率最快，从20m增加到50m时递减速率逐渐减慢，位移量从大到小排序为：U(5m)>U(10m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m) ；④对于巷道煤柱侧帮，其位移量先增大后减小，10m煤柱时右帮位移量最大，在煤柱宽度超过20m之后，煤柱帮位移递减速率逐渐减慢，位移量从大到小排序为：U(10m)>U(5m)>U(15m)>U(20m)>U(25m)>U(30m)>U(40m)>U(50m)。

从应力与位移综合角度选取煤柱宽度最优化方案，建议区段煤柱宽度为10～15m，该煤柱取值区间在一定程度上降低了应力核区的应力集中程度，但需采取合理支护措施以保证巷道围岩变形在可控范围内。

3 临空宽煤柱侧向支承应力实测分析

通过侧向支承压力的监测分析，可以得知采空区侧向悬顶形成的侧向支承压力对临空巷道影响范围，以确定合理煤柱尺寸，提高采掘安全性。

图5 不同煤柱宽度下巷道位移曲线(m)

3.1 布置方案

21103辅运巷共安装2组应力监测设备，每组10个，共计20个，组内间距2m，应力计安装深度4～24m。第1组安装在距离21103主、辅运巷11联巷以北50m，第2组距离第1组100m。应力计给定初始压力为5MPa。自安装之日起每3天记录1次数据。第1组应力计测点布置如图6所示。

图6 21103采空区第1组应力计测点布置方案

3.2 采空区侧向支承应力实测分析

根据2018年5月—2018年12月21103辅运巷第1组监测测点观测数据进行处理，得出煤柱倾向上支承压力分布曲线，如图7所示。

图7 煤柱倾向上支承压力分布曲线

随着工作面推进，采空区侧向支承压力在煤柱内不断积聚，导致煤柱内应力分布呈现“双驼峰”形态，双峰位置分别在煤柱内大约8m与22m处，宽约14m。从图7可以明显看出，21103工作面采空后，21103辅运巷煤柱内应力重新分布，从煤柱两侧向里依次形成“减压区—增压区—原岩区”，具体为：在煤柱0～4m、24～30m形成减压区，在煤柱4～10m、18～24m形成增压区，其中，煤柱10～18m为原岩应力区，为尽可能降低区段煤柱对冲击地压的影响，应合理设计煤柱宽度，将煤柱布置减压区。根据上述实测数据得出：葫芦素煤矿区段煤柱合理宽度应在10～12m。

4 结 论

1)根据煤岩体极限平衡理论推导出煤柱能够保持稳定状态的计算公式，得出区段煤柱合理煤柱宽度为9.1～10.7m。

2)对不同煤柱宽度下煤柱应力与围岩变形进行模拟分析，从应力与位移综合角度选取煤柱宽度最优化方案，建议区段煤柱宽度为10～15m，该煤柱取值区间在一定程度上降低了应力核区的应力集中程度，但需采取合理支护措施以保证巷道围岩变形在可控范围内。

3)煤柱内部应力监测数据显示：采空区侧向支承压力在煤柱内不断积聚呈现“双驼峰”形态，煤柱0～4m、24～30m形成减压区，在煤柱4～10m、18～24m形成增压区，煤柱10～18m为原岩应力区。根据实测数据，为确保煤柱处于减压区，葫芦素煤矿区段煤柱合理宽度应在10～12m。

4)根据理论计算、煤柱应力和围岩变形数值模拟对比及现场煤柱支承压力实测数据综合分析得出葫芦素煤矿区段煤柱最优宽度为10m。