倾斜煤层窄煤柱覆岩裂隙演化规律研究

段树成

（山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司，山西 临汾 041000）

0 引言

我国是煤炭资源大国，煤炭资源分布极其丰富，覆存较广，但据统计，我国倾斜煤层及急倾斜煤层占比很大。随着我国对煤层的开采逐步向着其深部移动，开采遇到的问题越来越多，瓦斯超限等问题严重制约着矿井的正常开采，为了提升矿井回采率，提出窄煤柱护巷开采技术，通过窄煤柱护巷不仅保证了巷道正常开采，同时可以提升矿井开采效率[1-2]。但在使用窄煤柱护巷时，由于受到煤柱稳定性的影响，使得工作面覆岩出现不同的垮落形态，导致顶板破断裂隙和离层裂隙形成裂隙带，影响瓦斯的运移，所以对窄煤柱综放面覆岩裂隙带进行研究是十分重要的[3-4]。本文利用数值模拟软件及现场实测的方案对不同煤柱宽度下覆岩裂隙带的变化规律进行研究，为倾斜煤层窄煤柱综放面瓦斯抽采提供一定的依据。

1 不同煤柱宽度下的巷道应力分析

倾斜煤层在倾角的影响下，使得巷道围岩的应力分布情况十分复杂，巷道围岩应力分布及其不均。在回采工作面的煤体受到采空区侧向支撑及超前支撑压力的影响下，会形成O-X 的断裂形式，而由于煤柱留设宽度的不同，使得其上部载荷分布情况也大不相同，窄煤柱应力分布大致呈现为椭抛型，为了进一步研究煤柱宽度对覆岩应力分布情况的影响，利用数值模拟软件ABAQUS 对窄煤柱下围岩应力进行进一步分析。

首先建立模型，根据实际地质情况建立模型的长、宽、高分别为200 m、250 m 和180 m，煤层的倾角设置为25°，同时通过开挖指令对煤层进行开挖，开采长度为100 m，沿空留巷的尺寸设定为4.5 m×4 m，在煤层的走向两边分别设定50 m 的边界，避免出现边界效应，完成模型初步建立后对模型进行网格划分，在进行网格划分时采用煤层周边加密的划分，将网格密度设定为1，划分完成后，共计有45 678 个单元和132 374 个节点。根据实际岩层的力学性质对模型进行物理参数设定，完成模型网格划分后，对模型应力环境进行设定，在模型的上端施加均匀载荷106 MPa，对模型的四边进行垂直和水平约束的设定，模型采用摩尔库伦准则，完成模型设定后对模型进行计算。

对煤柱宽度3～10 m、15 m、20 m、40 m 下巷道围岩的垂直应力分布情况进行研究，本文仅展示3 m、10 m、20 m 及40 m 时的垂直应力云图，如图1 所示。

图1 不同煤柱宽度下围岩应力（Pa）云图

当煤柱宽度为3 m 时，此时应力值小于岩层的原岩应力，此时在煤柱的上端部分范围内出现不稳定承载区，影响矿井工作面安全开采。当煤柱宽度为10 m时，此时的应力分布与煤柱宽度3 m 时有了明显的不同，巷道处于高应力范围，煤柱的顶板底板承载性有了一定的加强，巷道围岩仅存在部分破坏。当煤柱宽度为20 m 时，此时的巷道顶板应力明显增大，巷道仍处应力升高区，此时巷道煤柱垂直应力分布较不均匀，在靠近采空区位置应力明显较大，由于煤柱宽度较大，此时存在一定的资源浪费。当煤柱宽度为40 m时，巷道内部垂直应力分布无规律性，巷道距离侧向支撑压力升高区有一定的距离，巷道承载能力较佳，但也会存在较为明显的资源浪费情况。

2 不同煤柱宽度下覆岩裂隙带研究

对不同煤柱宽度下覆岩的裂隙演化规律进行研究，具体对3～10 m、15 m、20 m、40 m 不同煤柱宽度下冒落带、裂隙带、弯曲下沉带的高度进行研究，绘制不同煤柱宽度下的三带分布图如图2 所示。

图2 不同煤柱宽度下三带高度曲线

从图2 可以看出，弯曲下沉带高度随着煤柱宽度的增加呈现出先减小后平稳的趋势，当煤柱宽度为3～10 m 时，此时的覆岩弯曲下沉带高度呈现降低趋势，煤柱宽度为3 m 时弯曲下沉带高度为122 m，当煤柱宽度增加至10 m 时，此时的巷道弯曲下沉带高度为102 m，随着煤柱宽度的继续增大，弯曲下沉带的高度几乎不发生改变。裂隙带的高度随着煤柱宽度的增加呈现先增大后平稳的趋势，在煤柱宽度为10 m时裂隙带高度不再发生较大的改变，此时的裂隙带高度为61 m。冒落带的高度随着煤柱宽度的变化呈现平稳的趋势，其高度大致分布在20 m 附近。根据分析可以看出，当煤柱宽度为10 m 时既能保障巷道围岩的稳定性，同时冒落带、裂隙带、弯曲下沉带的高度也较为合理，便于工作面瓦斯的抽采，所以煤柱宽度为10 m 时较为合理。

对巷道覆岩关键层的离层情况进行分析，对不同煤柱宽度下关键层的离层情况进行研究，绘制不同煤柱宽度下巷道覆岩关键层离层量曲线如图3 所示。

图3 不同煤柱宽度下巷道覆岩关键层离层量曲线

从图3 可以看出，随着煤柱宽度的增加，覆岩关键层离层量呈现逐步降低的趋势，在煤柱宽度3～10 m时，此时的离层量变化趋势最大，从煤柱宽度3 m时的离层量1.42 m 降低至煤柱宽度10 m 时的离层量1.12 m，离层量变化幅度为4.3%；当煤柱宽度继续增大时，离层量变化趋势逐步降低，从煤柱宽度10 m时的1.12 m，降低至煤柱宽度40 m 时的0.92 m，降低的幅度为0.67%，所以当煤柱宽度为10 m 时，关键层控制为经济性、可行性指标综合的最佳值。

通过现场实践对工作面覆岩的裂隙分布情况进行监测，利用YTZ-3 型震动监测系统对覆岩的破裂裂隙进行监测，通过监测弹性波分析覆岩岩层的断裂信号，分别在皮带顺槽及轨道槽布设采集仪及传感器对井下工作面推进至139 m 时的微震信号进行监测，期间共收集12 531 个微震事件，数据监测最远点为距工作面120 m 的位置，通过计算可知煤柱宽度10 m下的裂隙带的高度为59.1 m。

3 结论

1）利用数值模拟软件对煤柱宽度3～10 m、15 m、20 m、40 m 下巷道围岩的垂直应力分布情况进行研究，结果表明，随着煤柱宽度的增加，巷道围岩的应力条件逐步改善，巷道的稳定性明显提升。

2）通过数值模拟软件对不同煤柱宽度下三带高度曲线进行分析，发现弯曲下沉带高度随着煤柱宽度的增加呈现出先减小后平稳的趋势，裂隙带的高度随着煤柱宽度的增加呈现先增大后平稳的趋势，最佳合理煤柱宽度为10 m。

3）通过对不同煤柱宽度下巷道覆岩关键层离层量进行分析发现，随着煤柱宽度的增加，覆岩关键层离层量呈现逐步降低的趋势，但在10 m 时下降趋势明显减弱，因此最佳煤柱宽度为10 m。