浅埋煤层孤岛工作面合理区段煤柱宽度研究

张 宇 李炜博 杨少雄

（准格尔旗羊市塔村凯达煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017100）

凯达煤矿30206上孤岛工作面受一次和二次采动影响，巷道围岩破坏较为严重[1-2]，有必要对区段煤柱宽度选取进行专项研究。

1 工程概况

36306上孤岛工作面位于三盘区，井田为向南西倾斜的单斜构造。工作面东临36307上工作面采空区，北邻辅运大巷，南部为实体煤，西临36305上工作面采空区，如图1。煤层直接顶为平均厚度8.17m的砂质泥岩，基本顶为平均厚度9.84m 的细砂岩，直接底为平均厚度9.84m 的砂质泥岩及泥岩。

图1 36206上孤岛工作面巷道位置图

2 区段煤柱受力状态分析

区段煤柱的稳定性变化主要受工作面一、二次开采扰动和岩体本身流变性影响[3]。受开采扰动影响区段煤柱从初期稳定到最终破坏过程中，煤柱内部的应力分布始终处于一个不断变化的过程，煤柱内部的应力状态分布主要体现在以下四个发展阶段：（1）原始地应力分布阶段；（2）一侧开采应力分布阶段；（3）两侧开采应力分布阶段；（4）煤柱屈服应力分布阶段。煤柱应力变化规律如图2。

图2 煤柱应力变化规律

同时，根据现场监测，6-2上煤层节理发育充分，当巷道方向和层理面平行时，巷道片帮严重、变形量较大、支护效果不佳。同样，煤柱稳定性和层理方向相关性较大，不同地质条件煤柱失稳具有不同的形式。随着煤柱的侧面塑性破坏及采动影响发生剥落，煤柱实际承载面积减小，节理、内部裂隙发育将导致煤柱稳定性进一步降低，此时煤柱稳定性较差。因此，特别是在考虑孤岛工作面区段煤柱稳定性时，安全系数应取最大值。区段煤柱破坏形式如图3。

图3 煤柱破坏形式

3 区段煤柱尺寸理论计算

确保区段煤柱有足够的承载条件：煤柱上、下侧产生塑性变形区宽度x0、x1后，煤体中央弹性核的宽度应不小于煤柱高度m的2 倍，煤柱宽度B应满足B≥x0+xb+x1，xb是经验数据，理论上，必须通过力学分析求出弹性核破坏的临界宽度L1。设计留设区段煤柱的宽度应大于极限平衡条件下的区段煤柱宽度方可确保煤柱具有足够的承载能力，如图4。

图4 区段煤柱宽度示意图

区段煤柱保持稳定的宽度B为：

利用上述公式计算得出的区段煤柱宽度，仅考虑了工作面开采时的应力集中系数K和静态载荷因素K′分别对区段煤柱稳定的影响，未考虑巷道自身掘进、工作面开采扰动以及时间效应等一系列动态因素对区段煤柱稳定性的影响，因而需要对该公式进行修正。

综上所述，考虑掘进因子σ、开采扰动因子d对煤柱宽度的影响，参照经验公式参数选取，将上式修改为：

式中：d为开采扰动影响因子，取3；α为掘进影响因子，取1.2。

区段煤柱上、下侧塑性区宽度x0、x1分别为：区段煤柱弹性核临界破坏宽度如式（4）为：

式中：x0、x1分别为区段煤柱两侧塑性破坏区的宽度，m；L1为区段煤柱弹性核宽度，m；m为煤柱高度，1.72 m；K、K′为弹性核与顶底板界面下两侧塑性破坏区交界面上的应力集中系数，分别取值2.5、3；C为煤的粘聚力，2.15 MPa；φ为内摩擦角，23°；C0为区段煤柱与顶底板界面之间的粘聚力，1500 kPa；φ0为区段煤柱与顶底板界面的内摩擦角，35°；γ为覆岩平均容重，25.5 kN/m3；H为煤层埋深，150 m；λ为塑性区与弹性区的侧压系数，取值0.30。

计算得x0=1.46 m，x1=1.27 m，L1=0.83 m。

把以上值代入式B1≥[L1+αd（x1+x0）] 计算得B1≥10.66 m。

综上，初步确定煤柱宽度留设时，煤柱尺寸取15 m。

4 数值模拟分析

4.1 模型建立

为了确定区段煤柱的合理宽度，根据现场实际地质条件，建立了4 种区段煤柱计算模型，分别为5 m、10 m、15 m 和20 m。

模型模拟几何尺寸： 长× 宽× 高=700 m×500 m×100 m。模型共划分619 600 个单元，705 422 个节点。模型模拟2 号煤层厚度为2.61 m，煤层顶板60 m，底板40 m。模拟过程中分别考虑两旁采空区影响，分析煤柱屈服破坏范围大小、应力分布情况。模型示意图如图5。

图5 孤岛工作面区段煤柱示意图

4.2 模拟结果

根据上述所建立的模型，仅改变不同区段煤柱尺寸，推测其煤柱稳定性较高，获取最危险位置区段煤柱留设宽度，为36306上孤岛工作面煤柱留设提供依据。5 m、10 m、15 m 和20 m 不同区段煤柱时，垂直应力云图及塑性区如图6。

图6 孤岛工作面不同区段煤柱模拟示意图

从图6 垂直应力分布和塑性区破坏规律不难看出，当区段煤柱为5 m 和10 m 时，受两侧采空区影响，孤岛工作面巷道处于两侧工作面采空区应力降低区，有利于巷道布置，但此时区段煤柱已完全发生塑性破坏，巷道围岩变形量较大。因此，如果掘进孤岛工作面巷道时，至少应在两侧工作面停采12 个月左右，掘进时存在一定危险性，需采取一定的卸压保护措施后方可掘进。当区段煤柱为15 m时，在煤柱两侧存在两个明显的应力集中区域，煤柱塑性破坏比例进一步减小，中部弹性核区未贯通，弹性核区宽度进一步增大，煤柱的承载能力也逐渐增大。根据经验公式，当区段煤柱中部弹性核宽度大于或等于2 倍的煤层厚度时，区段煤柱将具有一定的承载能力保持巷道的稳定。弹性核宽度为6.7 m，巷道围岩稳定性较好。当区段煤柱宽度由15 m 增至20 m时，应力集中区域逐渐向着采空区一侧靠近，区段煤柱中部将不会出现大幅度应力升高，从而区段煤柱不再发生塑性破坏，虽然此时区段煤柱具有较高的承载能力，但其内部弹性核区宽度较大，过大的弹性核区造成了一定程度的资源浪费，不符合绿色开采的要求。

5 结论

以36306上孤岛工作面为研究对象，理论计算了煤柱宽度，采用数值模拟法对煤柱塑性破坏、弹性核区宽度、煤柱上方顶板贯通程度进行分析，得出以下结论：

（1）理论计算区段煤柱宽度为10.66 m，考虑到锚杆支护及塑性区破坏范围，确定36306上孤岛工作面区段煤柱的合理留设尺寸为15 m。

（2）数值模拟结果可知，区段煤柱为15 m，弹性核区有6.7 m 符合弹性核区宽度最低条件；煤柱过大会造成资源浪费。结合周边矿井孤岛工作面区段煤柱留设经验，确定本次孤岛工作面区段煤柱宽度为15 m，可根据现场监测结果进行专项分析调整最终煤柱合理尺寸。