上覆局部采空下冲击危险工作面煤柱留设宽度研究

杨 旭，钟涛平，杨 伟，李振雷，张 强,李红平，贾兵兵，孔令宇

(1.国能新疆宽沟矿业有限责任公司，新疆 昌吉 831200；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083;3.新疆维吾尔自治区发展和改革委员会干部培训中心，新疆 乌鲁木齐 830000)

在多煤层、多区段开采矿井时，常采用区段煤柱隔绝采空区内有毒有害气体，维持临空巷道环境稳定。作为主要支撑结构，区段煤柱内易形成应力集中现象。在冲击地压矿井，区段煤柱内应力集中易诱发工作面和临空巷道冲击显现，是主要冲击致灾因素之一，可通过留设合理宽度的区段煤柱以降低围岩应力集中程度及其导致的冲击危险。

国内外学者对综放工作面区段煤柱合理留设及巷道稳定性进行了诸多研究[1-3]，张广超等[4]研究发现基本顶断裂线靠近巷道时，煤柱侧顶板严重下沉和肩角部位煤岩体错位、嵌入、台阶下沉等非对称破坏特征；祁和刚等[5]研究了深部矿井区段煤柱高应力集中载荷对底板岩层破坏范围和巷道围岩稳定性的影响，并提出“一高一低”的高应力区段煤柱综合卸荷技术；伍永平等[6]通过建立“梁-拱组合梁”“双拱连续梁”力学模型，分析了区段煤柱失稳机理，认为区段煤柱合理宽度应同时符合2种力学模型结构稳定所需宽度；郑铮等[7]基于“内外应力场”理论和偏应力第二不变量表征特性研究了倾斜煤层不同宽度煤柱下异性巷道围岩变形、应力分布，并确定了合理的区段煤柱宽度；赵宾等[8]研究发现随着煤柱宽度增加，围岩应力集中区逐步向煤柱中部转移，煤柱内塑性破坏区呈“X”型；郭金刚等[9]、查文华等[10]基于工作面侧向基本顶断裂位置对巷道和区段煤柱布置进行了研究，认为巷道布置应远离侧向基本顶断裂位置。

某矿具有特厚煤层、坚硬厚顶板、多煤层重复采动等特点，回采期间曾发生过冲击地压显现，造成工作面人员伤亡和财产损失，首次冲击煤层平均埋深为317 m[11]，低于一般冲击临界采深400 m。矿井B2煤层经鉴定具有弱冲击性倾向，结合矿井历史冲击显现案例、首冲采深，表明工作面回采B2煤层具有一定冲击危险。在多煤层、多区段开采矿井受开采开拓布局影响，不合理宽度的区段煤柱往往是工作面冲击地压致灾因素，易诱发冲击地压灾害显现[12]。在工作面回采过程中，区段煤柱及临空巷道矿压事件频繁，造成巷道围岩变形、设备损坏等，严重影响矿井安全生产效益。本文将以某矿I010203工作面为工程背景，通过建立区段煤柱支承应力叠加力学模型和数值模拟研究分析不同宽度区段煤柱围岩应力场、能量场分布演化规律，开展矿井I010203工作面区段煤柱留设宽度优化研究。研究结果可为该矿井接续工作面和相似条件工作面回采的区段煤柱宽度留设提供理论依据。

1 工程概况

I010203工作面倾向长约190 m，走向长约1 500 m，采用放顶煤开采工艺，割煤厚度3.2 m，放顶煤厚度6.3 m。I010203工作面北侧为I010201采空区，I010203下顺槽与I010201采空区间留设有15 m宽的区段煤柱。距工作面停采线13～745 m范围顶板上方为上煤层I010405采空区(图1)。

图1 I010203工作面空间分布示意图Fig.1 Spatial distribution of I010203 working face

煤矿从上至下有B4-2煤层、B4-1煤层、B3煤层、B2煤层、B1煤层、B0煤层，其中，B4-1煤层和B4-2煤层已回采完成，I010203工作面主采B2煤层，B2煤层倾角12°～14°，煤层厚度平均9.5 m，含矸0到2层，结构简单。B2煤层顶板依次为7 m厚细砂岩直接顶(含泥岩)、10 m厚粉砂岩基本顶，底板依次为5.5 m厚粉砂岩直接底、4 m厚粗砂岩基本底。依据矿井冲击倾向性鉴定结果，B2煤层动态破坏时间为215 ms、冲击能量指数3.19KE、弹性能量指数3.27WET、单轴抗压强度34.37 MPa，B2煤层具有弱冲击倾向性；B2煤层顶板弯曲能量指数为177.67 kJ，具有强冲击倾向性；B2煤层底板弯曲能量指数为26.82 kJ，具有弱冲击倾向性。由B2煤层及其顶底板围岩冲击倾向性鉴定结果可知，工作面具有较高的冲击危险。

2 工作面煤柱冲击危险评价

工作面前期回采阶段中，微震事件分布如图2所示。从图2(a)中可以看出，在区段煤柱内103～105J事件密集分布，微震事件能量最高为1.7×105J，从图2(b)中可知，区段煤柱出现明显的微震频次峰值。在I010203工作面区段煤柱宽15 m条件下，围岩存在能量高度集中且剧烈释放现象。冲击地压的本质是贮存在煤岩体内的可释放弹性能突然猛烈释放[13]。在采动扰动作用下，区段煤柱内聚积的大量弹性能急剧释放，当煤岩体释放的弹性能大于围岩破坏所需要的机械能和热能与煤岩体抛射需要的动能的总和，易诱发工作面发生冲击地压动力灾害显现[14]。因此，布设15 m宽区段煤柱增大了I010203工作面的冲击危险程度。

图2 I010203工作面微震事件分布Fig.2 Distribution of microseismic events in I010203 working face

依据矿井一采区西翼实际地质赋存建立数值模拟模型。模型主要研究对象为矿井I010203回采工作面下顺槽侧区段煤柱。I010203工作面上顺槽埋深约330 m，下顺槽埋深约380 m。模型建立时包含历史开采的B4-2煤层、B4-1煤层。考虑模型计算的真实性和计算时的效率问题，模型顶部边界埋深设为140 m。模型尺寸为1 000 m(X)×2 000 m(Y)×500 m(Z)，共397 424个网格。根据煤层地质赋存和矿井柱状图，预设B2煤层厚度为10 m、B4-1煤层厚度为5 m、B4-2煤层厚度为2 m。I010203工作面顺槽断面尺寸设为5 m(宽)×4 m(高)，模型如图3所示。

图3 数值模拟模型Fig.3 Numerical simulation model

数值模型通过煤矿实测地应力和模型需求设置边界条件。模型底部设置位移边界，固定垂向位移；模型顶部设置应力边界，施加3.5 MPa等效载荷。模型四周施加应力边界，模型X向水平应力设置为2倍的同水平垂向应力，模型Y向水平应力与同水平垂向应力大小相等，本模型重力加速度设置为10 m/s2。模拟中采空区上方一定高度顶板岩层采用应变软化准则模型用于模拟顶板垮落、触矸，其他区域皆采用摩尔-库伦准则模型。数值模拟中对实验室所测得力学参数进行一定折减[15]，以符合现场实际，数值模拟参数见表1。依据谢和平等[16]提出的弹性能计算公式，编制fish代码提取模型中围岩弹性能密度。

表1 数值模拟煤岩体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of numerical simulation coal and rock mass

I010203工作面回采前煤柱所在位置(X=465 m)围岩应力沿走向分布，如图4所示。Y=150～550 m为稳定区，区段煤柱上方为实体煤，煤柱围岩应力未发生明显变化；在Y=550～900 m为影响区，受I010405工作面采空区边界影响，区段煤柱围岩应力开始快速增大，在Y=862.5 m处达到应力峰值33.09 MPa、增幅6.94 MPa；Y=900～1 600 m为卸压区，煤柱垂直应力大幅下降，Y=1 200 m处，围岩垂直应力从29.07 MPa降低至15.06 MPa，降幅14.01 MPa。在B4-1煤层采空区边界作用下，导致I010203工作面区段煤柱冲击危险明显增大。

图4 区段煤柱围岩应力分布特征Fig.4 Stress distribution characteristics of surrounding rock of section coal pillar

Y=862.5 m处区段煤柱破坏区域分布特征，如图5所示。由图5可知，宽度为14～16 m，煤柱并未完全发生塑性破坏，弹性核区占比从28.57%增大至40.63%。结果表明宽度为15 m时，区段煤柱没有发生完全破坏，具有较好应力承载能力和传递能力。

图5 影响区内煤柱宽度14～16 m时煤柱破坏区域分布Fig.5 Distribution of coal pillar failure area when the width of coal pillar is 14-16 m in the affected area

结合围岩应力和破坏区域分布特征可知，当15 m宽煤柱应力峰值达到最大值时，煤柱内仍存在较大范围的弹性核区，表明煤柱具有较好承载能力和储能能力，弹性核区内围岩应力和弹性能高度集中，是冲击灾害显现的冲击启动区。不完全破坏的煤柱具有良好的应力传递能力，煤柱承载的应力传递至下煤层回采工作面，导致下煤层工作面亦出现局部围岩应力快速增大现象，增大下伏煤层工作面冲击危险性。

工作面回采过程中，采空区遗留煤柱出现了明显煤柱弹性能失稳释放现象，如图6所示。当工作面回采长度从100 m增大200 m时，距离开切眼100 m处煤柱弹性能密度从144.7 kJ/m3增大至243.0 kJ/m3，当回采长度由300 m增大至400 m，弹性能由241.3 kJ/m3降低至219.8 kJ/m3，降低了21.5 kJ/m3。表明15 m宽遗留煤柱在采空区孤岛结构下，存在围岩应力和弹性能增大，并超过其能承受的极限值，可发生动力破坏，释放大量弹性能，形成强动载，且可诱发下煤层回采工作面冲击显现。

图6 采空区遗留煤柱能量释放特征Fig.6 Energy release characteristics of residual coal pillars in goaf

综上可知，I010203工作面回采过程中15 m宽区段煤柱微震事件频繁，能量释放剧烈，动载扰动剧烈，不合理的煤柱宽度增大了工作面冲击危险。15 m宽区段煤柱在高应力作用下存在弹性核区，具有较好的应力承载能力和传递能力，集中应力传递至下煤层回采工作面，增大下煤层回采工作面的静载集中，采空区内遗留煤柱失稳破坏释放大量弹性能，对下煤层工作面提供强动载扰动，因此15 m宽区段煤柱增大了下煤层区段煤柱宽度冲击危险。当煤柱留设宽度不合理时，区段煤柱从开采开拓布局角度增大了矿井工作面回采过程中的冲击地压危险，且其对冲击地压危险增大的影响是具有持续性，该不合理宽度区段煤柱持续作用于回采工作面和下煤层回采工作面。

3 区段煤柱合理宽度数值研究

通过上述分析结果可知，15 m宽区段煤柱宽度下煤柱内围岩应力和弹性能高度集中，易诱发矿井工作面冲击显现。模拟区段煤柱宽度分别为2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m、20 m、22 m、24 m、26 m、28 m、30 m时区段煤柱围岩应力场、能量场和破坏区域分布演化特征，分析区段煤柱合理布设宽度。

3.1 区段煤柱应力分布特征

Y=550 m处不同宽度区段煤柱垂直应力云图，如图7所示，区段煤柱内垂直应力分布曲线，如图8所示，不同宽度煤柱内垂直应力峰值见表2。由图7和图8可知，当区段煤柱宽度为2～6 m时，煤柱内应力整体偏低，应力峰值从11.63 MPa增大至19.20 MPa，表明煤柱全部发生破坏，仅靠围岩残余强度进行支撑，承载能力较弱。当煤柱宽度为8 m时，初步出现较为明显的应力集中现象。煤柱宽度为10～16 m时，煤柱内垂直应力集中程度最高。当煤柱宽度为18～30 m时，煤柱巷道侧应力集中程度逐渐降低，应力高值区逐渐向采空区侧转转移。

图8 区段煤柱内围岩垂直应力分布Fig.8 Vertical stress distribution of surrounding rock in section coal pillar

表2 区段煤柱巷道侧应力峰值Table 2 Peak stress of roadway side of section coal pillar

图7 区段煤柱围岩应力分布演化Fig.7 Stress distribution evolution of surrounding rock of section coal pillar

以14 m宽煤柱和16 m宽煤柱应力峰值平均值代替15 m宽煤柱应力峰值(34.33 MPa)。当煤柱宽度为8 m，应力峰值为26.32 MPa，相较于宽度为15 m，降低8.01 MPa(降幅23.33%)；煤柱宽度为10 m时，应力峰值为33.25 MPa，相较于宽度为15 m，降低1.08 MPa(降幅3.15%)。煤柱宽度为12 m，应力集中峰值最大35.06 MPa，相较于宽度为15 m，增大0.73 MPa(2.13%)。由图7可知，随着煤柱宽度增大，区段煤柱垂直应力呈现先快速增大后逐渐降低趋势，应力分布特征由单峰逐渐转变成双峰分布。当煤柱宽度为18～30 m，煤柱应力峰值随着煤柱宽度增大而减小，煤柱内应力最大值逐渐有巷道侧向采空区侧转移，应力高值区增大，冲击启动区范围增大。

3.2 区段煤柱塑性区分布特征

具有冲击危险性的矿井弹性核区围岩高应力、高能量集中，在强动载扰动下极易诱发冲击显现[17]，因此冲击地压矿井应避免区段煤柱内出现弹性核区或者布置大尺寸煤柱避免弹性核区出现支承应力叠加现象。不同宽度下区段煤柱内围岩塑性区分布如图9所示。由图9可知，煤柱围岩主要破坏形式为剪切破坏。当煤柱宽度为2～6 m时，煤柱内煤体完全发生塑性破坏，巷道顶板也发生大范围塑性破坏，煤柱内破碎区占比较大，巷道顶板和煤柱帮煤体松散、不易支护。当煤柱宽度为8 m时，巷道顶板塑性破坏范围减小，弹性区域增大，煤柱完全发生塑性破坏。当煤柱宽度为10～12 m时，巷道顶板在上方2 m发生剪切破坏，同时塑性区贯通区段煤柱、但逐渐出现弹性区域。当煤柱宽度为14～30 m时，煤柱内出现明显弹性核区、冲击危险增大。

图9 区段煤柱内围岩塑性区分布Fig.9 Distribution of plastic zone of surrounding rock in section coal pillar

3.3 区段煤柱能量分布特征

煤柱在受压状态下积蓄大量能量，其中部分能量用于围岩损伤、破碎，剩余能量可在围岩失稳破坏时向外界释放诱发强动载。不同宽度下区段煤柱围岩弹性能密度分布曲线，如图10所示，煤柱弹性能密度峰值，见表3。

图10 区段煤柱内围岩弹性能密度分布Fig.10 Distribution of elastic energy density of surrounding rock in section coal pillar

由区段煤柱围岩弹性能分布特征可知，弹性能在煤柱距离巷道边界I010203工作面下顺槽边界2 m处达到峰值。区段煤柱宽度为2～6 m时，煤柱巷道侧弹性能峰值依次为26.7～59.9 kJ/m3，煤体较为破碎无法大量聚积弹性能。

以14 m宽煤柱和16 m宽煤柱弹性能密度峰值的平均值代替15 m宽煤柱应力峰值(183.35 kJ/m3)。煤柱宽度为8 m时，弹性能密度峰值为103.60 kJ/m3，较煤柱宽度2～6 m时，煤柱围岩弹性能聚积程度大幅上升，表明煤体完整性较好，较煤柱宽度15 m时，降低79.75 kJ/m3(降幅43.50%)。煤柱宽度为10～12 m时，煤柱弹性能密度峰值分别为157.40 kJ/m3、179.40 kJ/m3，依次降低25.95 kJ/m3(降幅14.15%)、3.95 kJ/m3(降幅2.15%)。煤柱宽度为14～18 m时，围岩弹性能密度峰值为177.00～184.50 kJ/m3，在宽度为14 m时达到弹性能密度峰值，该宽度范围内区段煤柱围岩弹性能密度峰值最大，可用于发生动力破坏的能量最高。煤柱宽度为16～30 m时，区段煤柱巷道侧弹性能密度峰值缓慢降低，但是仍高于宽度为8 m时煤柱弹性能密度，煤体内可用于动力破坏的能量较高。

3.4 区段煤柱合理留设宽度

区段煤柱用于隔绝采空区内有毒害气体泄漏至回采工作面，避免二次灾害发生。同时，作为采场主要支撑结构之一，区段煤柱亦应当具有较好的承载能力。研究矿井除冲击地压灾害外，还存在瓦斯治理问题，布设区段煤柱时应当考虑隔绝采空区和预防瓦斯等效果。当宽度为2～6 m时，煤柱破碎区占比程度较高，围岩承压能力弱，无法起到较好的隔绝采空区，维持临空巷道稳定的作用。当煤柱宽度大于12 m时，煤柱内存在明显的弹性核区，弹性核区内围岩应力和弹性能高度集中，具有较高的冲击危险，不利于矿井安全生产，同时煤柱宽度过大时会降低煤炭资源回采率、降低矿井生产的经济效应。

相较于煤柱宽度为15 m，煤柱宽度为8～12 m围岩应力峰值依次降低23.33%、降低3.15%、增大2.13%；围岩弹性能密度峰值依次降低43.50%、降低14.15%、降低2.15%。为避免区段煤柱发生冲击地压灾害，应当降低围岩应力集中程度及储存的弹性能。与工作面现有15 m宽区段煤柱相比，8～12 m宽煤柱中，8 m宽煤柱应力和弹性能密度降幅最大，冲击危险性最小。因此，综合煤柱隔绝采空区作用、支撑作用和冲击危险性，认为区段煤柱宽度应当为8 m。

4 结 论

1)15 m宽度区段煤柱围岩应力集中，回采过微震事件频繁、能量释放剧烈，增大了I010203工作面冲击危险；在高应力作用下15 m宽区段煤柱未完全破坏，高集中应力向下传递至下伏煤层，增大了下煤层回采工作面冲击危险性；不合理的煤柱宽度从开采开拓布局角度增大冲击危险，对矿井冲击地压危险造成持续性影响。

2)煤柱宽度为0～6 m时，煤柱内煤体破碎程度高，承载能力低，不利于隔绝采空区有毒有害气体，也不利于预防瓦斯及维持临空巷道稳定性；煤柱宽度大于12 m时，煤柱内出现在弹性核区，弹性核区增大了本回采工作面和下煤层回采工作面的冲击危险，为提高煤炭开采率和降低冲击危险，煤柱宽度应不大于12 m；相较于现有的15 m区段煤柱，煤柱宽度为8～12 m时，8 m宽度区段煤柱围岩应力和弹性能降幅最大，冲击危险性最低，认为应当留设8 m宽区段煤柱。