孤岛工作面保护煤柱合理尺寸留设研究

秦小卫

(邢台矿业集团有限责任公司办公室，河北 邢台 054000)

随着煤矿开采深度的不断延伸，煤炭资源回收利用有着重大的意义，而孤岛工作面回收对于煤炭资源回收起着重要的意义[1]。在孤岛工作面回采过程中，保护煤柱尺寸留设和冲击地压危险性不容忽视。目前，有许多专家学者对孤岛工作面进行了研究，陈峰等就孤岛工作面巷道位置布置进行了研究[2]，杨伟利等就孤岛工作面冲击地压识别和防冲进行了研究[3-5]。但结合巷道位置布置和冲击地压能量理论研究孤岛工作面保护煤柱合理尺寸的论文较少，本论文针对这一问题展开研究，预期研究成果可对该领域有所补充。

1 工程背景

章村矿目前待采的孤岛工作面，在矿井设计初期是作为下伏运输大巷的保护煤柱，该孤岛工作面煤厚2.6～4.3m，平均3.5m，煤层倾角18～23°，平均18°。工作面标高-420～ -452m，地面标高16.9m，工作面走向长1816.1m，倾斜长75～105m，平均100m，可采储量83.5万t。

2 孤岛工作面力学模型研究

2.1 孤岛工作面分区的计算研究

当工作面一侧采空时，由于应力的重新分布，从煤柱一侧可能依次出现破碎区、塑性区、弹性应力升高区以及原岩应力区，如图1所示。根据极限平衡区计算公式，得到实体煤帮破碎区宽度：

式中：

M-煤层开采厚度，m；

φ-煤体的内摩擦角，（°）；

K-应力集中系数；

C-煤体的粘聚力，MPa；

f-煤层与顶底板接触面的摩擦因素；

ξ-三轴应力系数，

图1 一侧采空、实体煤一侧支承应力分布

章村矿M为3.5m，φ为20°，K根据经验取5，C为0.5MPa，代入公式(1)解得破碎区Lb=7.12m。孤岛工作面单侧靠采空区的应力分布如图2所示。从沿空掘巷角度考虑，沿着破碎区布置回采巷道，由于破碎区范围是7.12m，巷道尺寸为4m，因此，回采巷道与采空区之间保留3～4m的保护煤柱。

图2 孤岛工作面支承应力分布与分区

2.2 冲击地压发生的能量理论

前苏联学者阿维尔申教授认为，煤层中储存的弹性能是由三部分组成，分别为体变弹性能（UV）、形变弹性能（Ut）和顶板的弯曲弹性能（UW）。在此着重研究顶板弯曲弹性能，即顶板发生初次断裂后，满足：

式中：

M-顶板的弯矩；

E-弹性模量；

H-采深；

B-煤柱宽度；

D-损伤参量；

φ-顶板下沉的转角；

J-顶板的断面惯矩；

Rt-顶板岩层的抗拉强度；

q-顶板岩层的承载；

h-顶板厚度；

L-顶板的悬伸长度。

由公式（2）可得，孤岛工作面顶板的弹性能主要受工作面的尺寸、待开采煤层的顶板厚度、侧压系数、围岩内聚力、抗拉强度、弹性模量、覆岩垮落角、孤岛工作面的倾斜长度、采空区与实体煤的刚度系数、煤体与顶底板摩擦系数等因素有关。同时，可以确定上覆岩层断裂步距对孤岛工作面积聚能力的影响不大。如图3所示为孤岛工作面的支承应力分布。

图3 双侧采空孤岛煤柱内部支承应力分布与分区

在开采技术参数相同的情况下，孤岛煤柱中部存在弹性区，两侧产生宽度相同的塑性区。由突变理论知，当塑性区尺寸超过孤岛煤柱尺寸的88%时，煤柱可能发生失稳现象，从而引起突变，这为孤岛工作面留设煤柱过程中，提供了理论依据。进一步得到孤岛煤柱发生突变的临界尺寸为：

将章村矿M为3.5m，φ为20°，K根据经验取5；C为0.5MPa，代入公式（3），解得B=12.5m。当采用留煤柱护巷方式开采孤岛工作面时，所留设的煤柱尺寸需要大于12.5m。因此，选取护巷煤柱尺寸3m和13m进行进一步研究，以期得到合理的煤柱尺寸。

3 煤柱尺寸留设数值模拟研究

对工作面的开采状况研究利用数值模拟软件FLAC3D实现，煤岩石的物理力学参数详细见表1所示，模型尺寸为500m×150m×195m，岩层平均倾角为20°，孤岛工作面长度为100m，厚度为3.5m，模型埋深约为452m，在模型顶部施加垂直方向的荷载为7.3MPa。

如图4（a）、（b）和图5所示，观察孤岛工作面留设3m煤柱和13m煤柱的竖直方向应力云图，当孤岛煤柱留设3m保护煤柱时，煤柱上方的支承应力峰值是10MPa；当孤岛煤柱留设煤柱尺寸大于12.5m，采用留设13m保护煤柱时，煤柱上方的支承应力峰值最大会达到80MPa，3m煤柱支承应力峰值仅为13m煤柱支承应力峰值的12.5%，且留设3m煤柱时围岩的支承应力分布范围明显远小于留设13m煤柱时。通过对比，结合前节能量理论可以说明，3m煤柱发生塑性破坏后，属于卸压状态，煤柱内部无弹性核，无法积聚大量的弹性能，不存在冲击危险，而13m煤柱内部仍存在弹性核，可以积聚大量的弹性能，开采过程中存在煤柱突然失稳发生冲击的风险。

表1 岩层岩性力学参数

图4 不同尺寸煤柱竖直方向应力云图

图5 孤岛工作面支承应力的分布

4 结 论

（1）在开采孤岛工作面时，由计算所得，围岩破碎区范围是7.12m，因此，可以考虑在采空区与回采巷道之间留设3～4m的保护煤柱。

（2）结合突变理论，当塑性区尺寸超过孤岛煤柱尺寸的88%时，煤柱可能发生失稳现象，计算得到当采用留大煤柱护巷方式开采孤岛工作面时，所留设的煤柱尺寸需要大于12.5m。

（3）孤岛工作面保护煤柱留设数值模拟研究结果表明，当采用3m保护煤柱时支承应力峰值仅为13m保护煤柱的12.5%，属于卸压状态，对防控冲击地压有利。