受断层影响的深部工作面区段煤柱留设宽度研究

韩传磊，左常清，赵燕席，王士朋

（汶上义桥煤矿有限责任公司，山东 济宁 272500）

0 引言

合理的区段煤柱留设宽度对回采巷道维护、煤炭采出率以及冲击地压等动力灾害的防治均有重要影响。煤柱尺寸留设不当，极易引起巷道应力集中，诱发冲击地压事故，严重制约煤矿的安全高效生产[1-4]。

针对区段煤柱留设问题，谢广祥等[5]建立了煤柱弹塑性极限平衡力学模型，对煤柱支承压力峰值分布规律进行了理论计算，为确定综放回采巷道护巷煤柱的合理尺寸提供了方法；方新秋等[6]基于综放工作面端头顶板破断特征，建立了采空侧端头三角块结构力学模型，分析了三角煤失稳机理；伍永平等[7]建立了区段间围岩失稳模型，研究了区段煤柱的应力分布规律和失稳破坏准则，确定了区段煤柱的合理尺寸。上述研究内容明确了煤柱冲击的发生不仅与其应力状态有关，同时也受覆岩结构特征的影响。

本文以山东义桥煤矿受断层影响区段煤柱为例，分析了区段煤柱稳定性主控因素，采用理论分析、数值模拟等方法，确定了合理的区段煤柱留设宽度。

1 煤柱概况

受DF20 断层影响，义桥煤矿3804 工作面与3604 采空区之间需留设一定宽度的区段煤柱。煤柱沿DF20 断层走向布置，区段煤柱范围内无褶曲构造，煤柱底板标高-740—-810 m。区段煤柱周边工作面布置如图1 所示。

图1 区段煤柱位置Fig.1 Position of section coal pillar

受DF20 断层影响，区段煤柱留设宽度较大，3804 工作面开采后，区段煤柱两侧会形成较大的采动空间，煤柱应力集中程度大幅增加。且随着3804 工作面推进距离的增加，工作面上方区域部分垂直应力向两工作面间的区段煤柱内部转移，造成断层构造应力与回采工作面侧向支承压力的叠加，增加了区段煤柱的冲击风险。

2 区段煤柱稳定性影响因素分析

2.1 开采深度影响

随着开采深度增加，原岩应力相应增大，煤层开采后，引起采空区边缘侧向支承压力相应增加。在煤体抗压强度一定的情况下，较高的原岩应力作用下，容易造成煤柱塑性区范围不断增大。

表1 给出了区段煤柱处原岩应力与煤体强度比值。可以看出，原岩应力与煤体强度的比值大于1，且为10 以上，可知原岩应力已超过煤体强度，埋深对煤柱稳定性影响较大。

表1 区段煤柱处原岩应力与煤体强度比值Table 1 Ratio of original rock stress to coal strength at coal pillar

2.2 断层构造

根据一般经验，断层是诱发采掘工作面冲击地压的主要影响因素。3804 工作面与3604 工作面间区段煤柱受断层构造应力的影响，加之煤柱受3604 工作面采空区侧向支承压力的影响，随着3804 工作面推进距离的增加，可能造成断层构造应力与回采工作面侧向支承压力的叠加，增加区段煤柱的冲击风险。

2.3 煤厚影响

一般而言，相同条件下，煤层越厚，巷道围岩积聚弹性能并剧烈释放的可能性越大，冲击地压风险程度越高。工作面所采的3 煤层厚0.98～7.62 m，平均3.49 m，厚度变化系数46.02%。工作面开采后，区段煤柱两侧会形成较大的采动空间，煤柱应力集中程度大幅增加，其中3804 工作面轨道顺槽外侧与3604 工作面间区段煤柱受两侧采空区影响，应力叠加程度更高。因此，煤层厚度对区段煤柱稳定性有较大影响。

3 基于采动影响的区段煤柱稳定性分析

3.1 区段煤柱稳定性理论分析

煤体开采破坏后，承载能力下降，应力集中的位置向深部转移，集中应力转移的结果可能使内部一定范围内的煤体遭到破坏。随着深度的增加，煤体受力状态逐渐由二向转为三向，抗压强度逐渐提高，煤体的破坏程度将越来越小，最后在内部某一位置煤体的强度和集中应力达到平衡，这个位置范围内的煤体均处于极限平衡状态，称为极限平衡区。对于极限平衡区，建立极限平衡方程：

式中：f 为层面间的摩擦系数；φ1为顶底板与煤层间的摩擦角，（°）；m 为采高，m；σy为垂直应力（即支承压力），MPa；σx为水平应力，MPa。

根据极限平衡区的条件，有：

式中：Rc为煤的单轴抗压强度，MPa；φ为煤的内摩擦角，（°）。

将式（3） 代入式（1） 中，求解可得：

当x=0，时σy=Rc*时，

式中：Rc*为煤帮的支撑能力（煤壁受压后的残余强度），MPa。

原岩应力为γH，设最大集中应力系数为k，煤壁至支承应力峰值的距离为x0，则有：

煤柱保持稳定性宽度B 为：

式中：R、x0分别为煤柱两侧塑性区宽度，x0=R，可根据式（8） 计算获得，表2 中给出了相应的计算参数；L 为煤柱中部弹性区宽度，根据以往经验，煤柱中部弹性区宽度通常大于或等于2 倍的煤层厚度，因此，L≥6.98 m。

表2 区段煤柱计算参数Table 2 Calculation parameters of section coal pillar

根据上述分析，可以计算得到煤柱宽度。考虑1.5 倍的安全系数，最终理论计算得到煤柱宽度至少为20.46 m，详见表3。

表3 区段煤柱理论计算宽度Table 3 Theoretical calculation width of section coal pillar

3.2 煤柱应力分布数值分析

采用数值模拟方法，模拟工作面回采期间围岩应力及塑性区分布，确定合理的区段煤柱留设宽度。

3.2.1 模型建立

三维数值模型倾向宽550 m，走向长900 m，模型高80 m，模型两侧施加固定边界，模型底部施加固定边界，数值模拟中煤柱宽度为70 m，以接触面单元模拟在两工作面之间的断层。工作面埋深为800 m，由σy=γh，γ 取2.5×104N/m3，则相应的原岩应力取20 MPa。

3.2.2 模拟结果分析

不同推进距离下区段煤柱侧向支承压力分布和塑性区分布如图2、图3 所示。

图2 不同推进距离下区段煤柱侧向支承压力分布曲线Fig.2 Distribution curve of lateral abutment pressure of section coal pillar under different advancing distance

图3 不同推进距离下塑性区分布图Fig.3 Distribution of plastic zone under different advancing distances

分析图2、图3 可以看出，3804 工作面在不同推进距离下区段煤柱应力变化情况类似于马鞍形分布（两边高，中间低）。

（1） 随着3804 工作面推进距离的增加，靠近3604 采空区一侧的区段煤柱受影响较小，煤柱在距3604 采空区22 m 左右的位置达到峰值，应力峰值在50 MPa 左右；受3804 工作面回采影响，3804工作面一侧煤柱应力峰值距该工作面约15 m，峰值应力随采动空间的增加而增加。

（2） 随着3804 工作面推进距离的增加，在距3604 采空区29～48 m 的位置，3804 工作面区段煤柱的应力最小，为20～24 MPa。

（3） 随着3804 工作面推进距离的增加，区段煤柱上方煤柱应力逐渐增加。当工作面回采50 m时，区段煤柱峰值应力约27.6 MPa（原岩应力约20 MPa），距离3804 工作面采空区约15 m，煤柱原岩应力区范围约19 m；当工作面回采150 m 时，区段煤柱峰值应力约33.4 MPa（原岩应力约20 MPa），距离3804 工作面采空区约15 m，煤柱原岩应力区范围约18 m。

根据以往经验，在煤柱中部的弹性区宽度L 通常应大于或等于2 倍的煤层厚度。根据数值模拟结果，3804 工作面区段煤柱两侧最大塑性区宽度分别为8 m 和10 m，煤柱原岩应力区范围约20 m，大于2 倍的煤层厚度（平均煤厚3.49 m）。根据数值模拟结果，煤柱宽度在40 m 时能够保持稳定。考虑到现场情况的复杂性，在数值模拟计算结果的基础上，乘以1.5 的安全系数，建议煤柱宽度应为60 m 左右。

3.3 现场微震监测数据分析

为了进一步确定区段煤柱合理宽度，对3604工作面回采期间微震监测数据进行分析，进而评估3804 工作面回采期间侧向支承压力影响范围。3604 工作面回采期间微震监测数据分布如图4 所示。可以看出，3604 工作面回采期间，靠近断层区域微震事件能量均较低，工作面侧向支承压力影响范围约为20 m。据此，考虑两侧工作面对煤柱的影响，可以近似确定区段煤柱留设宽度至少应为50 m。

图4 微震事件分布Fig.4 Distribution of microseismic events

4 结论

（1） 根据义桥煤矿3804 工作面地质和开采技术条件，分析确定影响该工作面区段煤柱稳定性的关键因素为埋深、断层构造和煤层厚度。

（2） 结合3804 工作面实际条件，首先通过理论建模计算得出该工作面区段煤柱保持稳定的最小宽度为20.46 m；采用数值模拟方法，考虑工作面采动影响确定合理的区段煤柱留设宽度至少为60 m；根据临近的3604 工作面回采期间的微震监测结果，分析得出区段煤柱保持稳定的宽度至少为50 m。综合理论分析、数值模拟及现场监测结果，确定3804 工作面合理的区段煤柱留设宽度应为60 m。