綜放工作面區段煤柱寬高比效應及尺寸優化研究

陳 兵，高 亮，杜正虎

(1.陜西陜煤榆北煤業有限公司 信息化運維分公司，陜西 榆林 719302；2.陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西 榆林 719300；3.子長縣中達焦家溝煤業有限公司，陜西 延安 717300)

綜合機械化放頂煤開采技術經歷40a的應用實踐，已成為我國厚煤層的主要開采方法之一，具有高產高效、巷道掘進率低、噸煤成本低等優勢[1]。然而，區段煤柱留設不合理造成煤炭采出率低和巷道維護困難等問題仍是制約綜放技術發展的主要因素之一。目前，大部分綜放開采礦井根據經驗留設20～50m寬的區段煤柱維護巷道，造成煤炭資源浪費。部分煤礦通過留設窄小煤柱來提升回采率，但易誘發巷道嚴重變形破壞，維護難度增大，影響礦井安全高效生產[2]。因此，針對不同地質條件和開采參數的綜放工作面，研究區段煤柱的穩定性及合理寬度，對保障回采巷道穩定性和提高煤炭資源回采率具有重要的意義[3-8]。

我國學者針對綜放工作面區段煤柱合理寬度留設方面開展了大量研究[9-13]，綜放工作面采動應力場復雜，受煤柱寬高比和二次采動等影響較大，現有研究較少涉及基于煤柱寬高比效應和煤柱失穩概率的煤柱寬度確定方法。采用物理模擬、FLAC3D數值計算和理論分析相結合的方法，研究綜放工作面礦壓顯現規律、應力疊加效應最明顯區域的區段煤柱穩定性及動態應力分布形態，揭示不同寬度煤柱穩定性及其寬高比效應，結合極限強度理論和煤柱失穩概率確定合理的區段煤柱寬度，并進行現場實踐驗證。研究可為類似條件的綜放工作面區段煤柱尺寸優化提供理論依據。

1 工程背景

東川煤礦采用斜井開拓，布置主斜井、副斜井和回風斜井三個井筒，主要開采4-1號煤層，煤層平均埋深310m，煤層傾角平均5°左右，硬度中等，厚度為5.10～6.25m，平均5.5m，采用綜合機械化放頂煤開采方法。工作面采高3.2m，放煤厚度為2.3m，采放比1∶0.7。走向長度為687.6m，傾斜長度為159m。

4-1號煤層基本頂為粗粒砂巖、中粒砂巖，厚3.50～26.31m，抗壓強度平均20.3MPa，抗拉強度平均0.5MPa。直接頂大部分為砂質泥巖，厚1.40m。底板為泥巖、砂質泥巖，厚0.4～4.5m，抗壓強度平均18.3MPa，抗拉強度平均0.3MPa。

2 區段煤柱穩定性物理模擬

2.1 物理模型設計

根據礦井綜放工作面地質條件及開采參數，結合相似理論，確定物理模擬的相似條件和開采方案。物理相似材料選用標準河沙、石膏、大白粉和粉煤灰。分層材料為云母粉，模型鋪裝過程人工制造裂隙。采用拍照和測量的方法詳細記錄實驗現象。物理模型相似條件：

根據相似條件，采用的相似材料配比見表1。限于模擬平臺尺寸，實際鋪裝模型尺寸為長×高×寬=3m×1.46m×0.2m。而工作面實際平均埋深為310m，其余100m上覆巖層用鐵磚配重加載，經計算配重鐵磚厚度14.7cm，即在模型頂部鋪設3層鐵磚(每塊鐵磚厚5cm)。模型左側留設66.7cm(原型100m)邊界煤柱，右側留設33.3cm(原型50m)邊界煤柱，兩工作面之間預留設16.7cm(原型25m)區段煤柱。模擬開挖方案為煤層開采3.7cm(原型5.5m)，采高2.1cm(原型3.2m)，放煤厚度1.5cm(原型2.3m)。實驗過程采用無線壓力傳感器實時監測預留區段煤柱的應力分布規律。物理模擬實驗方案如圖1所示。

2.2 不同寬度區段煤柱穩定性及應力動態演化規律

左側工作面開采結束后，留設25m區段煤柱，然后進行右側工作面開采。右側工作面開采結束后，不斷縮小煤柱寬度，得到不同寬度煤柱結構及受力大小，如圖2所示。分析可得，煤柱寬度由25m縮小至20m時，區段煤柱承受的平均應力由14.6MPa增加至19.5MPa，平均應力增加梯度為0.98MPa/m，煤柱表面未出現裂隙和片幫現象，宏觀穩定性較好；當煤柱寬度由20m縮小到18m時，煤柱承受的平均應力為22.3MPa，平均應力增加梯度為1.4MPa/m；當煤柱寬度由18m縮小至16m時，煤柱承受的平均應力為26.3MPa，應力增加梯度為2.0MPa/m，煤柱兩側有明顯的掉渣現象；當煤柱寬度縮小至14m時，煤柱承受的平均應力為32.2MPa，平均應力增加梯度為3.0MPa/m，此時，煤柱兩側有明顯的片幫現象，煤柱由于承受載荷過大，其穩定性較差。

表1 相似材料配比

3 區段煤柱穩定性FLAC3D數值計算

3.1 數值計算方案

根據礦井地質條件和工作面開采參數，建立FLAC3D數值計算模型，模型頂部施加3.34MPa的垂直應力，模型邊界條件為側面和底部采用位移約束，左右工作面開挖時留設50m邊界煤柱，分別進行區段煤柱寬度為25m、22m、20m、18m、16m、14m六種情況的數值計算。模型開挖前，分別在不同寬度區段煤柱中部布置應力測線，監測不同寬度煤柱應力分布大小。模型應力計算平衡后，4-1煤層的原巖應力為7.4MPa。按照最不利原則，左側工作面開采完畢，選取右側工作面超前支承壓力峰值位置的區段煤柱A-A剖面進行分析，如圖3所示。

3.2 不同寬度煤柱應力演化規律及塑性區分布特征

A-A剖面應力分布特征如圖4所示，不同寬度區段煤柱應力測線監測數據繪制的應力分布規律如圖5所示。分析可得，不同寬度區段煤柱應力演化規律及塑性區分布特征總結如下：

1)當區段煤柱寬度為20～25m時，煤柱垂直應力變化平緩，煤柱兩側的應力峰值為15.9～20.5MPa，煤柱應力分布形態呈現“馬鞍形”。煤柱左幫的塑性區寬度為1.5～2.5m，右幫的塑性區寬度為1.0～2.0m，煤柱中部彈性核區寬度為15.5～22.5m，煤柱中部存在較寬的核區，煤柱穩定。

2)當煤柱寬度為18m時，垂直應力明顯增大，靠近左側工作面的應力峰值26.5MPa，靠近左側工作面的應力峰值25.3MPa，應力分布形態呈現“平臺形”。煤柱左幫塑性區寬度為3.0m，右幫塑性區寬度為2.5m，中部仍然存在12.5m的彈性核區，煤柱穩定性較好。

3)當煤柱寬度縮小到14～16m時，煤柱垂直應力急劇增大，兩側應力峰值完全疊加，達到了31.3MPa，為原巖應力的4.2倍，煤柱中部應力分布形態呈現明顯的“拱形”。煤柱塑性區寬度均達到了10.0m，塑性區有連通趨勢，煤柱中部核區只有4m，煤柱穩定性較差。

3.3 區段煤柱穩定性及其寬高比效應

根據大量工程實踐經驗，煤柱彈性核區率η≥65%，則煤柱能夠保持穩定，不同寬度區段煤柱穩定性見表2。根據不同寬度區段煤柱最大應力和塑性區寬度特征分析可得，煤柱穩定性具有明顯的寬高比效應，煤柱承受的最大應力和塑性區寬度與區段煤柱寬高比成負相關關系，煤柱彈性核區率與寬高比成正相關關系，如圖6所示。

表2 煤柱塑性區及其穩定性

4 理論分析及工程驗證

4.1 4-1號煤層單軸抗壓強度測定

將現場取回的整塊煤樣加工成標準圓柱試件，然后在MTS巖石力學測試系統上進行單軸抗壓試驗。根據試驗結果，4-1號煤層的單軸抗壓強度為15.8MPa。

4.2 區段煤柱極限強度及安全系數計算

煤柱穩定性與煤體自身強度和煤柱尺寸有關，煤柱極限強度通常采用Bieniawski公式計算：

σs=σc[0.64+0.36(a/h)]

(1)

式中，σs為煤柱極限強度，MPa；σc為煤體單軸抗壓強度，MPa；h為煤柱高度，m；a為煤柱寬度，m；當a/h>5時，n=1.4；當a/h<5時，n=1。

煤柱安全系數是確定煤柱穩定性的重要指標之一，煤柱安全系數越大，煤柱失穩的概率越小，煤柱越穩定。Hoek研究發現，當煤柱安全系數為1.0時，煤柱失穩的概率為50%；當煤柱安全系數為1.5時，煤柱失穩的概率為0.3%。因此，煤柱安全系數大于1.0，可認為煤柱穩定性較好[14]。煤柱安全系數計算公式為：

fs=σs/Pz

(2)

式中，Pz為煤柱承受最大應力，MPa。

根據物理模擬和FLAC3D數值計算結果，煤柱寬度a為25、22、20、18、16和14m時，承受的最大應力Pz分別為17.4、18.5、20.3、27.5、31.0和33.8MPa。煤柱高度h為5.5m，煤體單軸抗壓強度σc為15.8MPa，將以上參數分別代入式(1)、式(2)中，得到不同寬度區段煤柱極限強度及安全系數，見表3。

表3 不同寬度區段煤柱穩定性理論計算結果

根據表2可得，當煤柱寬度小于18m時，綜放工作面區段煤柱不穩定，失穩概率較大，與物理模擬和數值計算結果一致。因此，礦井在進行相鄰綜放工作面區段煤柱設計時，留設煤柱寬度應不小于18m。

4.3 工程驗證

研究結論在該礦406工作面進行了現場實踐，406工作面與已開采完畢的405工作面之間的區段煤柱寬度為18～20m。406工作面開采過程中，與406工作面運輸巷之間的區段煤柱穩定性較好，406工作面運輸巷頂底板移近量最大為220mm，兩幫移近量最大160mm。煤柱幫和開采幫僅有局部發生片幫現象，保證了工作面安全高效生產。

5 結 論

1)區段煤柱未完全失穩前，其承受的應力大小與其寬度成反比例關系。煤柱寬度縮小到一定程度時，煤柱平均應力增加梯度會顯著增加，煤柱穩定性降低。此外，可采用煤柱垂直應力分布形態可表征煤柱穩定程度，“馬鞍形”應力分布形態的煤柱較穩定，“平臺形”應力分布形態是煤柱設計的主要依據，“拱形”應力分布形態是煤柱即將屈服失穩的重要特征。以上規律為確定合理區段煤柱寬度奠定了基礎。

2)煤柱寬高比效應影響其安全系數和失穩概率，煤柱寬高比越大，其承受的最大應力越小，煤柱受力越均勻，塑性區越小，煤柱失穩概率越低；煤柱寬高比越小，其承受的最大應力越大，煤柱受力集中，塑性區較大，煤柱失穩概率較大。

3)根據極限強度理論和煤柱安全系數與穩定性的關系，得出區段煤柱尺寸小于18m時，煤柱失穩概率達到了60%～70%，煤柱容易受采動作用屈服破壞，不利于安全生產。因此，相鄰綜放工作面間的區段煤柱寬度應不小于18m，現場實踐驗證可靠。