姚建偉

（山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦 ，山西 霍州 031412）

現(xiàn)階段，國內(nèi)外大多數(shù)煤礦依然采用留設(shè)煤柱的方法來保護采準(zhǔn)巷道[1-2]。留設(shè)保護煤柱的資料浪費率就達到了35%以上。采準(zhǔn)巷道作為綜放回采工作面的咽喉，其安全狀況影響著工作面的正常生產(chǎn)，決定著礦井的經(jīng)濟效益，而合理區(qū)段煤柱的留設(shè)決定著采準(zhǔn)巷道的安全與維護狀況。因此，綜放工作面采準(zhǔn)巷道應(yīng)當(dāng)合理留設(shè)煤柱，既能有利于巷道的維護，又能節(jié)約煤炭資源，提高煤炭的利用率[3-4]。

1 工作面概況

辛置煤礦2-104工作面位于一采區(qū)采區(qū)巷道前進方向右翼，北部為礦井三條大巷，南部為設(shè)計的2-105工作面，西部與同煤集團寺塔煤礦相鄰。工作面標(biāo)高+285～+305m，走向長度639m,傾向長度180m。工作面主采煤層2#煤層，煤層厚度5.2m。工作面沿煤層傾向布置，所有順槽沿煤層底板布置，采用綜采放頂煤開采方法。

2 煤柱寬度穩(wěn)定性影響因素及破壞形式

2.1 煤柱寬度影響因素分析

綜放工作面采準(zhǔn)巷道煤柱寬度的影響因素主要受內(nèi)在因素與外部因素的共同影響，其中外部因素主要受地質(zhì)因素的影響；內(nèi)在因素主要由區(qū)段煤柱強度寬高比決定。由于煤柱一側(cè)為回采工作面，另一側(cè)為采準(zhǔn)巷道，因此，煤柱兩側(cè)支承壓力的影響會形成塑性變形區(qū)。當(dāng)煤柱寬度較小時，煤柱所能承載的強度較低，煤柱易出現(xiàn)變形破壞。煤柱內(nèi)部會產(chǎn)生一個側(cè)向約束分力并且隨著煤柱寬度的增大，來減小煤柱所受到破壞程度。但是，這個力并不是隨著煤柱寬度的增大無限增大，而是增加到一定值后保持穩(wěn)定，煤柱寬度無限增大也會導(dǎo)致資料的浪費，因此，對于煤柱寬度應(yīng)當(dāng)設(shè)計合理尺寸。

2.2 煤柱破壞形式分析

煤柱變形破壞主要是由于上覆巖層垂直應(yīng)力作用在煤柱，煤柱兩側(cè)煤體由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，煤柱受垂直應(yīng)力的影響而破壞[5-6]。對于煤柱的破壞形式主要由剪切破壞、縱向破壞和沿弱面破壞。煤柱最大集中應(yīng)力在距煤柱邊緣一定深度內(nèi)，煤柱寬度留設(shè)過小時，兩側(cè)煤柱的集中應(yīng)力會疊加，加速煤柱破壞，易發(fā)生礦壓災(zāi)害。

3 煤柱合理留設(shè)尺寸理論分析

3.1 煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

綜放工作面區(qū)段煤柱的寬度影響著采準(zhǔn)巷道和回采環(huán)境的穩(wěn)定與資源的利用率。區(qū)段煤柱受工作面回采的影響，煤柱邊緣由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)。如果要保持煤柱的穩(wěn)定性來說，應(yīng)當(dāng)計算出煤柱彈性區(qū)域的范圍，根據(jù)以往的研究結(jié)果可知，煤柱中部2M范圍為彈性區(qū)域，因此，對保證區(qū)段煤柱穩(wěn)定范圍為：

式中：x0為采準(zhǔn)巷道塑性區(qū)域范圍；R為回采空間塑性區(qū)域范圍；2M為煤柱中部彈性區(qū)域范圍，其中M為采高。

工作面回采使煤柱內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)重新分布，對于煤柱邊緣來說，受支承壓力影響，煤柱邊緣形成應(yīng)力集中區(qū)，其應(yīng)力大小數(shù)倍于原巖應(yīng)力γH，煤柱邊緣由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，其強度變低，煤柱邊緣受力影響產(chǎn)生破壞，隨著工作面逐漸向前回采，應(yīng)力集中區(qū)逐漸向煤柱深部轉(zhuǎn)移，支承應(yīng)力曲線成拋物線狀態(tài)，當(dāng)支承應(yīng)力與煤柱所能承載應(yīng)力平衡時，煤柱不在受支承應(yīng)力影響，處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。煤柱應(yīng)力區(qū)域分布示意圖如圖1所示。

圖1 煤柱支承應(yīng)力區(qū)域分布示意圖

3.2 煤柱留設(shè)合理尺寸

綜采工作面回采后煤柱采準(zhǔn)巷道一側(cè)也將成為采空區(qū)，由圖1可以看出，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)的范圍基本相同，因此，可以近似x0=R，根據(jù)巖石力學(xué)極限平衡理論可以得出塑性區(qū)的范圍為：

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)，一側(cè)采空取值2.5，兩側(cè)采空取值4。P為煤柱的阻力，一般取值0；M為采高；H為采深；C為煤柱內(nèi)粘聚力，一般取值0.45～0.75；φ為內(nèi)摩擦角；f為煤柱與頂?shù)装褰佑|摩擦系數(shù)，一般取值0.125；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ)

依據(jù)辛置煤礦2-104工作面地質(zhì)條件以及相關(guān)參數(shù)，根據(jù)以上公式，取工作面埋設(shè)300m，計算得辛置煤礦2-104工作面煤柱合理寬度為27m。

4 煤柱應(yīng)力破壞數(shù)值模擬

4.1 模擬方案

采用FLAC2D數(shù)值模擬軟件對辛置煤礦2-104綜放工作面煤柱合理留設(shè)尺寸進行數(shù)值模擬，分別對工作面煤柱寬度 3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、20m、25m、30m、35m進行模擬研究。以辛置煤礦2煤層工作面地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，設(shè)定煤層埋深約300m，建立模型大小為150m×100m，分別代表所取模型的長、寬。模型采用摩爾—庫倫強度準(zhǔn)則，前后左右及下邊界固定。因模擬復(fù)合弱結(jié)構(gòu)對應(yīng)力分布的影響，故設(shè)定各巖層及弱結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型各巖層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)辛置煤礦2-104工作面地質(zhì)條件和參數(shù)，建立如圖2所示的數(shù)值模擬模型。

圖2 工作面不同煤柱寬度模擬模型

4.2 模擬結(jié)果分析

采用FLAC2D軟件對模擬模型在Y方向施加12.5MPa垂直載荷，得出不同煤柱寬度Y方向應(yīng)力云圖，如圖3所示，同樣可以得出不同煤柱寬度位移變化圖，如圖4所示。

圖3 不同煤柱寬度Y方向應(yīng)力云圖

由圖3、圖4可知，辛置煤礦2-104綜放工作面煤柱寬度為3～5m，煤柱所能承載的支承壓力小，煤柱被壓實后，其應(yīng)力逐步向回采空間內(nèi)實體煤深部轉(zhuǎn)移，在實體煤內(nèi)部會形成應(yīng)力集中，上覆巖層的垂直應(yīng)力主要由實體煤承擔(dān)；而隨著煤柱寬度逐漸增大，煤柱所能承載的應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)煤柱寬度為11～35m時，煤柱所能承載的上覆巖層垂直應(yīng)力大，由煤柱兩測邊緣逐漸向煤柱中部轉(zhuǎn)移。

圖4 不同煤柱寬度Y方向位移示意圖

由圖4可以看出，隨著工作面采準(zhǔn)巷道煤柱寬度的逐漸增大，煤柱上支承應(yīng)力逐漸增大，因此，煤柱承載能力隨煤柱寬度的增加逐步增大，2-104綜放工作面回采空間內(nèi)煤體應(yīng)力逐漸向煤柱深部轉(zhuǎn)移。隨著煤柱寬度的不斷增大，當(dāng)煤柱寬度增大到峰值時，其所能承載的支承應(yīng)力大小為峰值，此時煤柱承載的應(yīng)力最大，容易發(fā)生礦壓等地質(zhì)災(zāi)害。當(dāng)煤柱寬度繼續(xù)增大到30m以上時，煤柱內(nèi)支承應(yīng)力的大小又呈現(xiàn)減小的趨勢，主要原因是煤柱自身已經(jīng)能承載上覆巖層的垂直應(yīng)力，煤柱此時能夠起到起到保護巷道和回采空間的能力。由圖3、圖4可知當(dāng)煤柱寬度為25～30m之間時，煤柱能夠承載上覆巖層的垂直應(yīng)力，能夠保護采準(zhǔn)巷道和回采空間。

5 結(jié) 論

1）分析了煤柱寬度的影響因素主要受內(nèi)在因素與外部因素的共同影響，其中外部因素主要受地質(zhì)因素的影響，內(nèi)在因素主要由區(qū)段煤柱強度寬高比決定。并分析了煤柱主要有剪切破壞、縱向破壞和沿弱面破壞三種破壞形式。

2）對煤柱合理留設(shè)尺寸進行理論分析，分析了煤柱應(yīng)力分布規(guī)律，煤柱應(yīng)力呈現(xiàn)由煤柱邊緣向煤柱深部先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定的形式。并通過辛置煤礦2-104工作面地質(zhì)參數(shù)，計算該工作面煤柱留設(shè)合理尺寸為27m。

3）對采用FLAC2D數(shù)值模擬軟件對辛置煤礦2-104綜放工作面煤柱合理留設(shè)尺寸進行數(shù)值模擬，分別對工作面煤柱寬度 3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、20m、25m、30m、35m進行模擬研究，得出Y方向應(yīng)力云圖和Y方向位移曲線圖，驗證該工作面合理留設(shè)尺寸和應(yīng)力分布規(guī)律。