深埋厚煤层区段煤柱留设稳定性研究

马菲菲 邢 永

（枣庄大兴矿业有限责任公司，山东 枣庄 277319）

采用长壁工作面回收煤炭资源时，相邻工作面间的煤柱宽度以往多在20 m左右，造成资源的浪费。在不影响安全生产的条件下，如何减少煤柱留设的宽度，一直是研究的热门话题。张震等[1]采用CT系统，建立了电磁波衰减与裂隙发育、应力集中系数的关系；张后全等[2]对超前区段煤柱锚杆轴力实测，认为锚杆轴力的峰值对应着区段煤柱破碎区；梁冰等[3]采用损伤变量模型，建立了煤柱尺寸与损伤变量的对应关系，认为煤柱的宽高比影响煤柱稳定性，两者正相关；涂敏等[4]建立了煤柱塑性区理论公式，分析了采深、煤柱高度、工作面长度等参数对煤柱宽度的影响，据此设计了区段煤柱的控制方案；王志强等[5]认为煤柱的稳定性与所处应力环境有关，采用弹性地基理论得到了煤柱内部任意一点的应力状态以及煤柱稳定性的主要影响因素为应力集中系数、煤柱高度及宽度；张宇等[6]研究了浅埋煤层煤柱留设稳定性问题，认为煤柱留设需要在10 m 以上。上述研究对于区段煤柱稳定性的影响因素以及浅埋煤层的煤柱留设进行了大量的理论分析，然而对于深部矿井区段煤柱的具体宽度，仍需要结合工程情况做进一步的研究。

大兴煤矿资源日渐枯竭，为了增加矿井的服务年限，亟需研究减少煤柱留设宽度。本文针对301工作面与303 工作面之间的区段煤柱，采用理论公式计算区段煤柱的弹性核区数值，通过数值模拟和现场钻孔观测进行结果验证。

1 工作面概况

301 工作面位于3 号煤层，采高4.4 m，面长120 m，回采巷道宽度为5 m，高度为3 m，顶底板为砂岩，岩性较差。301 工作面的接替工作面为303 工作面，在回采301 工作面时掘进303 工作面的运输巷，如图1 所示。原先该采区相邻工作面区段煤柱宽度为20 m，为提高资源回收率，重新进行区段煤柱留设宽度的设计，分别按照10 m、9 m、8 m、7 m、6 m、5 m 的煤柱宽度进行理论计算，分析在一次采动（回采）和二次采动（巷道掘进）的影响下，煤柱是否能保持稳定性。

图1 工作面布置示意

2 区段煤柱留设宽度设计及理论验证

区段煤柱的稳定性影响因素主要有煤柱的宽度、埋深、煤体自身强度等。进行区段煤柱设计时，埋深和煤体自身强度无法后期改变，煤柱宽度是最主要的影响因素。回采时区段护巷煤柱的合理宽度为：

式中：Le为弹性区宽度；Lp为塑性区宽度；X0为采空区侧塑性区宽度；R0为巷道侧塑性区宽度。

采用中主应力影响的SMP 准则，可得采空区侧塑性区宽度与巷道侧塑性区宽度：

所以煤柱塑性区宽度Lp=X0+R0为：

结合大兴煤矿实际地质条件，m=4.5 m，H=700 m，φ=36.5 °，c=0.93 MPa，σ0=1.26 MPa，f1=0.13，c1=1.5 MPa，Pa=0，P=0.36 MPa，K1=4，矩形巷道高3 m，宽5 m。代入公式中计算，可以得到301 工作面不同煤柱宽度下弹性核区的大小，具体数值见表1。

表1 不同宽度区段煤柱的弹性核区

3 区段煤柱稳定性数值模拟验证

3.1 数值模型建立

采用FLAC3D对不同煤柱留设宽度进行模拟，研究其煤柱塑性区发育规律。模型长宽高分别为130 m、130 m、60 m，左右各留50 m 的边界煤柱，巷道尺寸为5.0 m×3.0 m。模型四周限制X、Y 方向的位移，底部固支，顶板加载17.5 MPa 的等效荷载。采用摩尔-库伦模型，模型如图2，覆岩参数见表2。设计模拟区段煤柱宽度分别为10 m、9 m、8 m、7 m、6 m、5 m 时，受采动（301 工作面回采）和掘进巷道（303 运输巷掘进）影响下，在工作面推进120 m，即工作面初次见方的位置，取超前工作面10 m，采动影响最大处的区段煤柱的塑性区发育云图。

图2 数值模拟初始模型（m）

表2 地层参数

3.2 模型结果分析

图3 依次是不同留设煤柱宽度下周边塑性区发育情况，塑性区沿区段巷道周边发育，有对称分布特征，顶板和两帮以拉、剪破坏为主。随着煤柱宽度的增加，塑性区发育程度减弱。在5 m 的区段煤柱宽度条件下，塑性区非常发育，贯穿整个煤柱，无弹性核区；在6 m 的区段煤柱宽度条件下，有1 m 宽的弹性核区；在7 m 的区段煤柱宽度条件下，有3 m 宽的弹性核区；在8 m 区段煤柱宽度条件下，有4 m 宽的弹性核区；在9 m 的区段煤柱宽度条件下，有5 m 宽的弹性核区；在10 m 的区段煤柱宽度条件下，有7 m 宽的弹性核区。结合第二章的理论分析结果，可以认为当区段煤柱宽度在7.0 m 以上时，煤柱有着较强的稳定性，可以实现安全回采。

图3 303 工作面区段煤柱不同留设宽度塑性区发育情况

4 工程观测结果

为了更加直观地观测出303 运输巷区段煤柱稳定性，钻孔观测内部裂隙发育情况。在运输巷道的帮部距底板1.5 m 的位置处，垂直巷帮向301 工作面侧钻孔，放入钻孔窥视仪。观测结果如图4。

图4 区段煤柱裂隙发育情况

从图4 看出，在留设7 m 煤柱宽度条件下，向煤柱内部打孔，1 m 深时钻孔破碎，2 m 深时钻孔完整度提高，孔壁上只有一些横向裂隙，3.5 m 深时到达弹性核区，钻孔完整，5 m 深和6 m 深时接近工作面，钻孔完整程度又降低。因此，可以判断在留设7 m 煤柱宽度条件下，煤柱有足够的弹性核区，可以保证工作面开采期间的稳定性。

5 结论

（1）采用中主应力影响的SMP 准则可以计算得到受采动影响及相邻巷道掘进影响下的区段煤柱弹性核区大小。

（2）数值模拟显示区段煤柱塑性区沿四周发育，有对称分布特征，顶板和两帮以拉、剪破坏为主，弹性核区大小随煤柱留设宽度增加而增加。

（3）在留设7 m 煤柱宽度条件下，煤柱有足够的弹性核区，可保证工作面开采期间的稳定性。