殘采舊空區寬度對殘留煤柱穩定性影響分析

劉建偉 徐 昕 康國峰

（同煤國電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037000）

煤炭支撐著我國經濟的發展[1]，20 世紀為追求更大的經濟效益，采用落后舊式采煤法開采優質煤炭資源[2]，造成資源的極大浪費。隨著資源枯竭及經濟發展的需要，對殘煤存在區的煤炭資源進行殘煤復采成為煤炭領域的重要研究內容。因舊采區存在大量的舊空區和煤柱且分布不均[3]，不同寬度的舊空區和煤柱的穩定性會對下分層工作面造成一定影響。對煤柱的穩定性進行分析能對工作面前方煤柱的穩定性做出預判[4]，從而確定相應的處理措施，保證回采工作面回采過舊空區時能夠安全穩定的通過。

1 工程概況

王坡煤礦位于山西省晉城市，主要可采煤層為3#、4#煤層。3#煤厚4.3m，4#煤厚3m，煤層間距6～8m，煤層埋深為325m。先前采用落后的巷柱式采煤法開采3#煤，造成資源的大量浪費，并在煤層中形成大量的舊空區。通過現場調研確定舊空區寬度范圍為5～10m，煤柱寬度為5～15m。本文對3#舊空區煤柱穩定性進行理論分析，并通過數值模擬論證，確定4#煤回采工作面回采時，3#煤柱能夠保持穩定性的極限寬度，并對3#煤舊空區做出相應的處理。

2 采場煤柱超前失穩機理

2.1 剪切破壞

當工作面回采時，因工作面前方舊空區的存在，基本頂發生超前破壞，受關鍵塊回轉失穩的影響，煤柱承受較大的剪切應力，而煤柱的抗剪強度較小，當煤柱的受剪強度大于煤柱的極限抗剪強度時，煤柱就會發生破壞。同時，隨著回采工作面的推進，采場前方的煤柱寬度逐漸減小，煤柱內的彈性核寬度隨之逐漸減小，煤柱越容易發生破壞。煤柱破壞一般發生在煤柱與頂底板巖層連接處，當煤柱中存在若干節理、裂隙時，煤柱容易首先在節理、裂隙發育處開始發生破壞。

2.2 受壓破壞

根據極限強度理論的相關知識：如果上覆的巖層對下部煤柱所施加的載荷超過了煤柱的載荷極限，下部的煤柱往往會出現壓裂或者是剪切性的破壞，這樣就導致了煤柱的承載能力下降或喪失。

式中：

σ-煤柱受頂板巖層作用的載荷，MPa；

F-煤柱安全系數，取2；

σp-舊空區煤柱所能承受的抗壓強度，MPa。

當煤柱為矩形且巷道的設計寬度與舊空區殘留煤柱的寬度相等時，煤柱的抗壓強度滿足下列公式：

逐漸破壞理論認為煤柱是逐漸發生破壞的。因煤柱兩側存在舊空區，舊空區兩側頂板的壓力均由煤柱支撐，煤柱內部存在應力，受高應力作用，煤柱兩邊強度逐漸減小并發展為塑性區，應力向煤柱中部彈性核區集中，煤柱中部轉化為彈性狀態，彈性核受頂底板巖層及煤柱兩側的塑性區擠壓而保持平衡狀態。彈性核區應力值可由以下公式計算：

若煤柱寬度滿足上式，煤柱中有穩定的彈性核區寬度，則煤柱就能保持穩定。通過煤柱的寬度與彈性核寬度的比值大小來確定煤柱的穩定性，當彈性核區寬度達到煤柱寬度的86%時，煤柱就能保持穩定。

將本礦物理力學參數帶入，得出本礦舊空區煤柱能夠保持穩定的臨界寬度為10m。

3 數值模擬

3.1 模型建立

如圖1 所示，為數值模擬物理模型圖。舊空區寬度為5～10m，煤柱寬度為5～15m。根據物理模型及煤礦綜合柱狀圖建立數值模型，建立數值幾何模型尺寸長×寬×高=240m×160m×90m，模型劃分182634 個單元格，192546 個節點。模型邊界條件為四周固支，頂板施加8.38MPa 的原巖應力。模擬所用巖石力學參數見表1。

表1 巖層力學參數

圖1 數值物理模型示意圖

3.2 模擬方案及過程

通過建立相關數值模擬的模型來模擬寬5m、10m 的舊空區，煤柱寬度分別為5m、10m、15m時的穩定性變化規律。模擬過程為建立數值模擬模型—初始平衡—開挖舊空區—運行至平衡—回采4#煤回采工作面—結果分析。

3.3 模擬結果分析

根據模擬結果，只給出典型云圖，如圖2 所示為4#煤回采工作面前方30m 處不同舊空區及煤柱寬度下的煤柱塑性區分布云圖。當舊空區寬度為5m 時，5m 寬煤柱塑性區寬度為5m，煤柱全部發生破壞，無法滿足回采工作面安全回采的需要；10m 寬煤柱塑性區寬度為4m，煤柱寬度能夠滿足回采工作面回采期間安全回采。當舊空區的寬取10m 的時候，寬度為5m 的煤柱塑性區寬是5m，結果煤柱全被破壞，無法滿足安全回采；寬度為10m的煤柱塑性區寬是6m，此時的煤柱寬度可以實現安全回采。這說明相同舊空區寬度時，隨著煤柱寬度的增加，煤柱塑性區寬度越來越小，煤柱彈性核區寬度越來越大；相同煤柱寬度時，隨著舊空區寬度的增加，煤柱塑性區越來越大。通過對煤柱寬度的數值模擬分析，煤柱寬度為10m 時，工作面能夠安全回采，因此可以預先判定工作面前方不同舊空區寬度時，10m 煤柱能夠保持穩定。

圖2 煤柱塑性區云圖

圖3 為回采工作面過上覆空區煤柱時4#煤工作面超前支撐壓力曲線。由圖可知，當煤柱寬度為10m，舊空區寬度為5m 時，工作面前方應力集中系數為1.48；當煤柱寬度為10m，舊空區寬度為10m 時，工作面前方應力集中系數為1.62；當煤柱寬5m，舊空區寬10m 時，工作面前方應力集中系數為2.53；當煤柱寬度為5m，舊空區寬度為5m 時，工作面前方應力集中系數為3.48。表明：在煤柱寬度保持固定時，在空區寬度增加的情況下，工作面應力集中系數會變大；當空區寬度保持不變的情況下，如果煤柱寬度變大，則工作面的應力集中系數就會變小。當煤柱寬度小于10m 時，因工作面前方應力集中系數較大，煤柱可能受工作面回采的影響而突然失穩。因此，當煤柱寬度小于10m 時，需對其舊空區做充填處理，以保證工作面安全回采。

圖3 工作面超前支撐壓力曲線

4 結論

（1）通過現場調研，王坡煤礦舊空區寬度范圍大都集中在5～10m。根據理論分析確定煤柱破壞機理為受頂板壓力的作用發生剪切破壞或壓裂破壞。煤柱寬度較小時，煤柱多發生剪切破壞，煤柱內部不存在彈性核區；煤柱寬度較大時，多發生壓裂破壞，煤柱內部殘留一定寬度彈性核。并得到臨界失穩寬的計算公式，與數值模擬結果相符。

（2）根據數值模擬可以判定殘采區舊空區寬度超過5m 時，5m 寬煤柱已發生破壞無法保持穩定，需要對舊空區做充填處理；當舊空區寬度一定時，隨著煤柱的增加，煤柱塑性區越來越小，當煤柱超過10m 時，5m、10m 寬空區對煤柱穩定性影響較小，工作面可安全生產。