殘采舊空區(qū)寬度對(duì)殘留煤柱穩(wěn)定性影響分析

劉建偉 徐 昕 康國(guó)峰

（同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037000）

煤炭支撐著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]，20 世紀(jì)為追求更大的經(jīng)濟(jì)效益，采用落后舊式采煤法開采優(yōu)質(zhì)煤炭資源[2]，造成資源的極大浪費(fèi)。隨著資源枯竭及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，對(duì)殘煤存在區(qū)的煤炭資源進(jìn)行殘煤復(fù)采成為煤炭領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。因舊采區(qū)存在大量的舊空區(qū)和煤柱且分布不均[3]，不同寬度的舊空區(qū)和煤柱的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)下分層工作面造成一定影響。對(duì)煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行分析能對(duì)工作面前方煤柱的穩(wěn)定性做出預(yù)判[4]，從而確定相應(yīng)的處理措施，保證回采工作面回采過(guò)舊空區(qū)時(shí)能夠安全穩(wěn)定的通過(guò)。

1 工程概況

王坡煤礦位于山西省晉城市，主要可采煤層為3#、4#煤層。3#煤厚4.3m，4#煤厚3m，煤層間距6～8m，煤層埋深為325m。先前采用落后的巷柱式采煤法開采3#煤，造成資源的大量浪費(fèi)，并在煤層中形成大量的舊空區(qū)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研確定舊空區(qū)寬度范圍為5～10m，煤柱寬度為5～15m。本文對(duì)3#舊空區(qū)煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析，并通過(guò)數(shù)值模擬論證，確定4#煤回采工作面回采時(shí)，3#煤柱能夠保持穩(wěn)定性的極限寬度，并對(duì)3#煤舊空區(qū)做出相應(yīng)的處理。

2 采場(chǎng)煤柱超前失穩(wěn)機(jī)理

2.1 剪切破壞

當(dāng)工作面回采時(shí)，因工作面前方舊空區(qū)的存在，基本頂發(fā)生超前破壞，受關(guān)鍵塊回轉(zhuǎn)失穩(wěn)的影響，煤柱承受較大的剪切應(yīng)力，而煤柱的抗剪強(qiáng)度較小，當(dāng)煤柱的受剪強(qiáng)度大于煤柱的極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，煤柱就會(huì)發(fā)生破壞。同時(shí)，隨著回采工作面的推進(jìn)，采場(chǎng)前方的煤柱寬度逐漸減小，煤柱內(nèi)的彈性核寬度隨之逐漸減小，煤柱越容易發(fā)生破壞。煤柱破壞一般發(fā)生在煤柱與頂?shù)装鍘r層連接處，當(dāng)煤柱中存在若干節(jié)理、裂隙時(shí)，煤柱容易首先在節(jié)理、裂隙發(fā)育處開始發(fā)生破壞。

2.2 受壓破壞

根據(jù)極限強(qiáng)度理論的相關(guān)知識(shí)：如果上覆的巖層對(duì)下部煤柱所施加的載荷超過(guò)了煤柱的載荷極限，下部的煤柱往往會(huì)出現(xiàn)壓裂或者是剪切性的破壞，這樣就導(dǎo)致了煤柱的承載能力下降或喪失。

式中：

σ-煤柱受頂板巖層作用的載荷，MPa；

F-煤柱安全系數(shù)，取2；

σp-舊空區(qū)煤柱所能承受的抗壓強(qiáng)度，MPa。

當(dāng)煤柱為矩形且巷道的設(shè)計(jì)寬度與舊空區(qū)殘留煤柱的寬度相等時(shí)，煤柱的抗壓強(qiáng)度滿足下列公式：

逐漸破壞理論認(rèn)為煤柱是逐漸發(fā)生破壞的。因煤柱兩側(cè)存在舊空區(qū)，舊空區(qū)兩側(cè)頂板的壓力均由煤柱支撐，煤柱內(nèi)部存在應(yīng)力，受高應(yīng)力作用，煤柱兩邊強(qiáng)度逐漸減小并發(fā)展為塑性區(qū)，應(yīng)力向煤柱中部彈性核區(qū)集中，煤柱中部轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)，彈性核受頂?shù)装鍘r層及煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)擠壓而保持平衡狀態(tài)。彈性核區(qū)應(yīng)力值可由以下公式計(jì)算：

若煤柱寬度滿足上式，煤柱中有穩(wěn)定的彈性核區(qū)寬度，則煤柱就能保持穩(wěn)定。通過(guò)煤柱的寬度與彈性核寬度的比值大小來(lái)確定煤柱的穩(wěn)定性，當(dāng)彈性核區(qū)寬度達(dá)到煤柱寬度的86%時(shí)，煤柱就能保持穩(wěn)定。

將本礦物理力學(xué)參數(shù)帶入，得出本礦舊空區(qū)煤柱能夠保持穩(wěn)定的臨界寬度為10m。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

如圖1 所示，為數(shù)值模擬物理模型圖。舊空區(qū)寬度為5～10m，煤柱寬度為5～15m。根據(jù)物理模型及煤礦綜合柱狀圖建立數(shù)值模型，建立數(shù)值幾何模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=240m×160m×90m，模型劃分182634 個(gè)單元格，192546 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型邊界條件為四周固支，頂板施加8.38MPa 的原巖應(yīng)力。模擬所用巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

圖1 數(shù)值物理模型示意圖

3.2 模擬方案及過(guò)程

通過(guò)建立相關(guān)數(shù)值模擬的模型來(lái)模擬寬5m、10m 的舊空區(qū)，煤柱寬度分別為5m、10m、15m時(shí)的穩(wěn)定性變化規(guī)律。模擬過(guò)程為建立數(shù)值模擬模型—初始平衡—開挖舊空區(qū)—運(yùn)行至平衡—回采4#煤回采工作面—結(jié)果分析。

3.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果，只給出典型云圖，如圖2 所示為4#煤回采工作面前方30m 處不同舊空區(qū)及煤柱寬度下的煤柱塑性區(qū)分布云圖。當(dāng)舊空區(qū)寬度為5m 時(shí)，5m 寬煤柱塑性區(qū)寬度為5m，煤柱全部發(fā)生破壞，無(wú)法滿足回采工作面安全回采的需要；10m 寬煤柱塑性區(qū)寬度為4m，煤柱寬度能夠滿足回采工作面回采期間安全回采。當(dāng)舊空區(qū)的寬取10m 的時(shí)候，寬度為5m 的煤柱塑性區(qū)寬是5m，結(jié)果煤柱全被破壞，無(wú)法滿足安全回采；寬度為10m的煤柱塑性區(qū)寬是6m，此時(shí)的煤柱寬度可以實(shí)現(xiàn)安全回采。這說(shuō)明相同舊空區(qū)寬度時(shí)，隨著煤柱寬度的增加，煤柱塑性區(qū)寬度越來(lái)越小，煤柱彈性核區(qū)寬度越來(lái)越大；相同煤柱寬度時(shí)，隨著舊空區(qū)寬度的增加，煤柱塑性區(qū)越來(lái)越大。通過(guò)對(duì)煤柱寬度的數(shù)值模擬分析，煤柱寬度為10m 時(shí)，工作面能夠安全回采，因此可以預(yù)先判定工作面前方不同舊空區(qū)寬度時(shí)，10m 煤柱能夠保持穩(wěn)定。

圖2 煤柱塑性區(qū)云圖

圖3 為回采工作面過(guò)上覆空區(qū)煤柱時(shí)4#煤工作面超前支撐壓力曲線。由圖可知，當(dāng)煤柱寬度為10m，舊空區(qū)寬度為5m 時(shí)，工作面前方應(yīng)力集中系數(shù)為1.48；當(dāng)煤柱寬度為10m，舊空區(qū)寬度為10m 時(shí)，工作面前方應(yīng)力集中系數(shù)為1.62；當(dāng)煤柱寬5m，舊空區(qū)寬10m 時(shí)，工作面前方應(yīng)力集中系數(shù)為2.53；當(dāng)煤柱寬度為5m，舊空區(qū)寬度為5m 時(shí)，工作面前方應(yīng)力集中系數(shù)為3.48。表明：在煤柱寬度保持固定時(shí)，在空區(qū)寬度增加的情況下，工作面應(yīng)力集中系數(shù)會(huì)變大；當(dāng)空區(qū)寬度保持不變的情況下，如果煤柱寬度變大，則工作面的應(yīng)力集中系數(shù)就會(huì)變小。當(dāng)煤柱寬度小于10m 時(shí)，因工作面前方應(yīng)力集中系數(shù)較大，煤柱可能受工作面回采的影響而突然失穩(wěn)。因此，當(dāng)煤柱寬度小于10m 時(shí)，需對(duì)其舊空區(qū)做充填處理，以保證工作面安全回采。

圖3 工作面超前支撐壓力曲線

4 結(jié)論

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，王坡煤礦舊空區(qū)寬度范圍大都集中在5～10m。根據(jù)理論分析確定煤柱破壞機(jī)理為受頂板壓力的作用發(fā)生剪切破壞或壓裂破壞。煤柱寬度較小時(shí)，煤柱多發(fā)生剪切破壞，煤柱內(nèi)部不存在彈性核區(qū)；煤柱寬度較大時(shí)，多發(fā)生壓裂破壞，煤柱內(nèi)部殘留一定寬度彈性核。并得到臨界失穩(wěn)寬的計(jì)算公式，與數(shù)值模擬結(jié)果相符。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬可以判定殘采區(qū)舊空區(qū)寬度超過(guò)5m 時(shí)，5m 寬煤柱已發(fā)生破壞無(wú)法保持穩(wěn)定，需要對(duì)舊空區(qū)做充填處理；當(dāng)舊空區(qū)寬度一定時(shí)，隨著煤柱的增加，煤柱塑性區(qū)越來(lái)越小，當(dāng)煤柱超過(guò)10m 時(shí)，5m、10m 寬空區(qū)對(duì)煤柱穩(wěn)定性影響較小，工作面可安全生產(chǎn)。