近距离下伏煤层区段煤柱合理尺寸优化方法研究

杨志弘

(山西忻州神达南岔煤业有限公司，山西 忻州 036700)

我国地下煤矿广泛采用综采工艺，特别针对近距离煤层综采工作面而言，工作面间往往留设一定宽度的区段煤柱，其作用一方面在于隔离采空区，另一方面在于保证下区段巷道的稳定[1]。如果煤柱留设宽度较小，将导致煤柱应力扰动范围内的巷道变形严重，不利于巷道稳定；如果煤柱宽度较大，将造成不必要的资源损失与浪费。因此，合理的煤柱留设宽度对于工作面巷道的稳定及矿产资源高效回收具有重要影响[2-3]。针对近距离煤层回采条件，通过对原留设区段煤柱尺寸进行合理优化，对于矿山安全高效开采至关重要[4-6]。

在煤柱尺寸优化研究方面，赵铁林[7]采用理论计算、数值模拟和现场实测相结合的研究方法，分析了特厚煤层综放开采沿空掘巷煤柱宽度的合理尺寸为6 m；裴治[8]采用实验室测试和数值模拟方法对王村煤矿护巷煤柱的稳定性进行了分析研究，指出12 m煤柱可以兼顾煤柱稳定性和提高采出率的要求；商铁林等[9]分析了上覆岩层的垮落结构和区段煤柱的受力状态，给出了区段煤柱合理宽度的理论计算公式。综合文献分析，对于煤柱尺寸优化研究主要集中在单一煤层开采工艺条件，对于近距离煤层开采，下伏煤层巷道布置及区段煤柱留设尺寸留设主要受上伏煤层区段煤柱应力扰动影响，针对近距离下伏煤层区段煤柱合理尺寸优化方法有待进一步研究。

为此，本文以某矿近距离煤层开采为工程背景，分析了不同煤柱宽度支承压力分布特征，给出了下煤层应力极限平衡区宽度理论修正计算式，结合数值模拟分析确定了合理的下伏煤层区段煤柱尺寸，在保证工作面巷道的稳定的同时，有效释放了煤柱资源。

1 工作面概况

某煤矿矿井面积177 km2，煤炭储量15.42 亿t，其中可采储量9.27亿t.3号煤层平均厚度为2.25 m， 4号煤层厚度4.65～5.85 m，平均厚度5.3 m，煤层倾角0～3°，平均倾角0.8°，4号煤层中下部普遍含一层夹矸，局部区域中上部含一层夹矸，岩性为褐黄色泥岩，平均厚0.1 m.两煤层平均间距约为10 m，煤岩体综合柱状图如图1所示。

图1 煤岩体综合柱状图

矿井工作采用综采一次采全高、后退式全部垮落法管理顶板，相邻工作面之间留设24 m宽度的区段煤柱，45203工作面布置情况如图2所示。工作面开采过程中，为保证合理有效回收煤炭资源，减少资源损失，特开展近距离下伏煤层合理区段煤柱尺寸确定方法研究，通过对原24 m宽区段煤柱尺寸进行合理优化，释放煤柱资源，实现工作面安全高效开采。

图2 45203工作面布置图

2 不同煤柱宽度支承压力分布特征分析

当区段煤柱两侧工作面回采结束后，根据留设煤柱宽度的不同，其应力分布特征主要表现为以下两种类型。

1) 大煤柱条件。当区段煤柱宽度(24 m)较大时，煤柱两侧支承压力由边缘向内部逐渐增加至峰值后不能降低至原岩应力水平，而是在中部产生支承压力叠加，如图3所示。煤柱两侧塑性区范围较小，煤柱中部全为应力增高弹性区，有利于煤柱整体的稳定。

图3 大煤柱条件垂直应力分布图

2) 小煤柱条件。当煤柱尺寸(8 m)较小时，煤柱两侧支承压力峰值将产生叠加，导致煤柱中部支承压力趋近于两侧峰值压力大小，如图4所示。受煤柱两侧工作面采动影响，峰值处的应力集中系数可达4～5倍，煤柱在长期较高的支承压力作用下更容易发生塑性破坏。

图4 小煤柱条件垂直应力分布

综合分析，在工作面煤柱两侧采空条件下，煤柱宽度越小，煤柱所受载荷越集中，峰值应力向内转移，中部弹性核范围减小，塑性区宽度增大，因此，在确定煤柱合理宽度时，应当考虑煤柱所处应力环境的影响。

3 区段煤柱合理尺寸理论计算分析

3.1 区段煤柱极限平衡区力学模型构建

将煤体简化成均匀、连续、各向同性的理想弹-塑性材料，认为区段煤柱首先从边缘发生破坏，且塑性破坏范围逐渐向内扩展，一直到与内部弹性区交界处，并达到极限平衡状态，利用极限平衡理论[10]，建立煤柱极限平衡区力学模型如图5所示。

图5 煤柱极限平衡区力学模型

根据建立的煤柱力学模型可知，由于煤体与顶底板岩层交界面的粘聚力C0和摩擦角φ0较煤体的小，在顶板岩层应力作用下，煤体与顶板岩层在分界面将发生相对运动，并伴有剪应力τxy产生，在剪应力作用下，煤体发生破坏，假设不考虑体积力，建立煤层界面应力平衡微分方程：

(1)

式中：C0为煤层界面内聚力，MPa；φ0为煤层界面内摩擦角，°.

应力边界条件为：当x=0时，σx=Px，σy=Px/A；当x=x0时，σx=γH,σy=σyl.

结合应力边界条件，并根据应力分析及具体推导过程，可得煤层界面应力为：

(2)

式中：Px为锚杆支护对煤柱帮部的支护力，MPa；A为煤层的侧压力系数；γ为煤层顶板岩层的平均容重，kN/m3；σyl为煤柱极限强度，MPa.

应力极限平衡区宽度x0为：

(3)

煤柱两侧受掘进及采动影响形成一定范围的塑性破坏区，塑性区内的煤体对内部煤体产生一定的侧向应力，即塑性约束，煤柱峰值应力介于单向和三向受力状态区域之间。因此，煤柱极限抗压强度为：

σyl=2.729(ησc)0.729

(4)

式中：η为流变系数；σc为煤体试件单轴抗压强度，MPa.

将公式(4)带入公式(3)可得，应力极限平衡区宽度x0为：

(5)

由于三盘区煤层已回采完毕，在四盘区上方形成采空区和遗留煤柱，采空区和遗留煤柱在底板分别形成一定范围的卸压区和应力增高区，如图6所示。随着四盘区煤层回采结束，将会形成采空区重叠、煤柱重叠情况，四盘区煤层区段煤柱不可避免地布置在上部已采煤层形成的应力影响区内。

图6 煤柱底板应力分布

对于近距离煤层开采，在确定下煤层区段煤柱合理宽度时，有必要探讨上部已采煤层遗留煤柱或采空区底板应力分布的影响，因此，在下煤层区段煤柱宽度计算过程中，提出近距离煤层开采影响系数α，按公式(6)计算：

(6)

式中：σz为上煤层遗留煤柱(采空区)底板在该处的垂直应力值，Pa；γ为下煤层上覆岩层平均容重，N/m3；Hd为下煤层埋深，m.

图7 煤柱弹塑性变形区

针对近距离层开采条件下，下煤层应力极限平衡区宽度理论计算修正公式为：

(7)

3.2 区段煤柱合理宽度确定

对于四盘区段煤柱的确定，需考虑三盘区开采的影响，四盘区工作面平均埋深200 m，与三盘区煤层间距为10 m.受三盘区煤层遗留煤柱影响，在底板10 m附近处的应力值为5.35 MPa，带入公式(6)求得，三盘区煤层遗留煤柱影响系数α为1.13.

对于四盘区煤层，η取0.749，σc取13.8 MPa，m取3.1 m，A取0.9，C0取1.2 MPa，φ0取26°，Px取0.6 MPa，α取1.13，将参数带入公式(5)计算可得：煤柱下45203工作面区段煤柱回采帮塑性区宽度x0取2.97 m，煤柱帮锚杆有效支护长度x1为1.8 m，根据四盘区区段煤柱位于三盘区遗留煤柱下方，根据区段煤柱保持稳定的基本条件，k取4，带入公式(7)可得：四盘区区段煤柱保持稳定的最小宽度B为17.17 m.

4 区段煤柱尺寸优化数值模拟分析

4.1 数值模型构建

以该矿4盘区实际工程条件为背景，构建数值模型尺寸为：700 m×200 m×120 m，共划分594 562个单元，煤岩体物理力学参数见表1.

表1 煤岩体物理力学参数

四盘区原有区段煤柱尺寸为24 m，由于巷道在该尺寸区段煤柱下稳定性较好，故考虑在保证煤柱稳定的前提下缩减煤柱尺寸。因此，分别选取区段煤柱宽度24 m、20 m、17 m、14 m时塑性破坏情况进行模拟分析，最终确定四盘区区段煤柱最佳尺寸。

4.2 数值结果分析

不同宽度区段煤柱塑性区变化情况如图8所示。区段煤柱在工作面回采后，受侧向支承压力影响，区段煤柱两侧产生塑性区，塑性区深度随着煤柱尺寸的缩减逐渐增大，而且区段煤柱内部的弹性区宽度随煤柱宽度的减小而减小。当区段煤柱宽度为24 m时，煤柱中部弹性区宽度为16.3～22.4 m，塑性区宽度为1.7～5.8 m；当区段煤柱宽度为20 m时，弹性区宽度为14.6～18.5 m，塑性区宽度为2.2～6.4 m；当区段煤柱宽度为17 m时，弹性区宽度为10.2～14.3 mm，塑性区宽度为2.5～6.8 m；当区段煤柱宽度为14 m时，塑性区贯穿整个煤柱，区段煤柱失去支撑作用。综合分析，四盘区区段煤柱宽度不应小于17 m.

图8 不同宽度区段煤柱塑性区分布图

三盘区区段煤柱底板岩层应力及位移分布情况如图9所示。

图9 区段煤柱底板岩层应力及位移分布图

在现有巷道及工作面布置下，四盘区运输巷位于三盘区遗留煤柱下应力集中区域左下方，所受垂直应力较大，为10～11 MPa.根据工作面布置方式，运输巷由于上工作面的布置情况，位置已经固定。因此，通过改变辅运巷的位置来缩减区段煤柱尺寸。由于辅运巷处在三盘区煤层采空区下方，所受垂直应力较小，为3～5 MPa.因此将辅运巷向运输巷方向移动6.8 m，使巷道处在5～8 MPa应力水平下，此时巷道最大垂直位移量为18 mm，巷道稳定性较好。因此，根据数值模拟结果可知四盘区区段煤柱位于三盘区遗留煤柱下时，合理煤柱宽度为17.2 m.

综上所述，当四盘区区段煤柱位于三盘区遗留煤柱下时，区段煤柱合理尺寸为17.2 m，这一结果与理论计算得到的17.17 m区段煤柱宽度较为接近，进一步验证了理论分析的可靠性，最终确定合理区段煤柱尺寸为17.2 m.由于原区段煤柱为24 m，通过煤柱尺寸优化，区段煤柱尺寸减小6.8 m，有效提高了煤柱资源的回收率。

5 结 语

1) 通过分布不同煤柱宽度的支撑应力分布特征，在工作面煤柱两侧采空条件下，煤柱宽度越小，煤柱所受载荷越集中，峰值应力向内转移，中部弹性核范围减小，塑性区宽度随之增大。

2) 通过构建区段煤柱极限平衡区力学模型，给出了下煤层应力极限平衡区宽度确定的理论修正计算式，可得到区段煤柱保持稳定的最小宽度为17.17 m.

3) 通过数值模拟分析，区段煤柱两侧产生的塑性区，其深度随着煤柱尺寸的缩减逐渐增大，四盘区区段煤柱宽度不应小于17 m.研究提出将辅运巷向运输巷方向移动6.8 m，此时巷道所受应力为5～8 MPa，最大垂直位移为18 mm，由此确定合理煤柱宽度为17.2 m.区段煤柱尺寸减小6.8 m，有效提高了煤柱资源的回收率。