断层影响下区段煤柱合理宽度研究

姜良金，逯英棋，张 朋，周均忠

（1.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；2.山东新河矿业有限公司，山东 济宁 272400）

合理宽度的区段煤柱留设对于保护回采巷道、防治冲击地压等动力灾害意义重大[1-2]。针对区段煤柱合理宽度，国内外学者已有大量研究。王博等针对深部工作面因借鉴浅部煤柱设计而导致矿压显现频繁、剧烈的问题，研究了深部宽区段煤柱诱发冲击地压机理，提出了深部宽区段煤柱防冲治理措施[3]。涂敏等基于极限平衡理论，分析了影响区段煤柱宽度的内部参量，提出了煤柱合理宽度的控制对策[4]。王志强等构建了宽煤柱弹性区应力叠加力学模型，分析出宽煤柱不同形态时的应力分布规律[5]。刘金海等从冲击地压防治、采空区内残煤自燃等次生灾害控制及锚杆支护的有效性3 个角度综合考虑，确定区段煤柱的合理宽度[6]。

以上关于区段煤柱合理宽度及控制技术的研究多是基于常规地质条件，对复杂地质条件下区段煤柱的研究相对较少，尤其是对于断层影响下的区段煤柱稳定性的研究较少。生产实践表明，工作面布置在断层附近时，强矿压现象显现频繁，冲击地压等动力灾害频发[7-8]。大量研究表明，在构造应力、采动应力等综合应力叠加影响下，煤柱应力环境更为复杂[9-10]。

鉴于此，本文以山东新河煤矿730 采区受断层影响工作面区段煤柱为例，采用理论计算、工程类比及数值分析综合研究方法，对断层影响下深部高应力区段煤柱的合理宽度进行探讨。

1 概 况

山东新河煤矿主采3 煤层，煤层厚度8.24 ~9.88 m，采用综采放顶煤工艺开采。在730 采区赋存有1 条落差为0~25 m 的FF43 断层，断层西北侧为已采完的7311 和7312 采空区，东南侧设计布置7313 工作面。为确保7313 工作面安全生产，同时尽可能提高煤炭资源回收率，设计在7313 工作面与7312 采空区之间留设一定宽度的区段煤柱。图1 为煤柱附近钻孔柱状图。

图1 钻孔柱状图Fig.1 Borehole histogram

FF43 断层与7313 工作面走向基本一致，区段煤柱沿FF43 断层走向布置，区段煤柱范围内无褶曲构造，煤层底板标高-950—-1 060 m，地面标高为+35.38—+36.29 m，如图2 所示。

图2 区段煤柱位置示意Fig.2 Location of section coal pillar

2 基于采动影响的区段煤柱稳定性分析

2.1 区段煤柱稳定性理论分析

煤层开采后，采空区侧向煤体力学状态发生变化。两侧采空条件下，煤柱保持稳定的宽度B为：

式中：x1、x3为极限平衡区宽度，即Ⅰ-破碎区与Ⅱ-塑性区（图3） 宽度之和，m；x2为Ⅲ-弹性区（图3） 宽度，m。

图3 区段煤柱应力分布状态Fig.3 Stress distribution state of section coal pillar

极限平衡区宽度计算采用公式（2） 计算：

式中：M为煤厚，取8.85 m；φ为摩擦角，取28°；f为煤层与顶底板间的摩擦系数，f取0.16；K为最大应力集中系数，取3；γ 为覆岩平均容重，取25 000 N/m3；H为开采深度，取1 126 m；τ0为内聚力，取5 MPa。

代入各参数得，x1=x3=28.9 m。弹性区宽度取2倍的采高，即x2=17.7 m。由此可得，无断层构造应力影响下，煤柱保持稳定的宽度。考虑断层构造及工作面开采扰动的影响，为该结果赋予1.2 的安全系数。基于上述分析，认为区段煤柱保持稳定的宽度B=75.5 m 至少应为90 m。

2.2 现场微震监测数据分析

为进一步确定区段煤柱合理宽度，选取与7313 工作面地质及开采技术条件类似的7312 工作面回采期间的微震监测数据进行分析，以此分析7312 工作面回采期间侧向支承压力影响范围，进而通过工程类比方法确定区段煤柱宽度。

图4 为7312 工作面2021 年5 月25 日至9 月30 日回采期间采空区煤柱侧微震事件平面投影。分析微震事件分布可知，7312 工作面回采期间采空区侧向支承压力影响范围约为33 m。因此，近似推断7313 工作面回采期间采空区侧向支承压力影响范围约33 m。考虑两侧工作面对煤柱的影响，近似确定区段煤柱留设宽度为66 m。

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

2.3 煤柱应力分布数值分析

综合理论计算和工程类比，为保证煤柱稳定性，初步确定区段煤柱的留设宽度为90 m。在此基础上，采用数值分析的方法，研究工作面回采期间该留设宽度条件下煤柱内部应力变化规律，进一步验证该留设宽度的合理性。

2.3.1 模型建立

模型考虑了大范围采空区及FF43 断层的影响，三维数值模型倾向宽550 m，走向长900 m，模型高80 m，设计区段煤柱宽度90 m，模型两侧及底部施加固定边界，以接触面单元模拟断层。工作面埋深为1 000 m，原岩应力取25 MPa。数值计算模型如图5 所示，模型中各煤岩物理力学参数见表1。

表1 煤岩物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

图5 数值计算模型Fig.5 Numerical calculation model

2.3.2 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曲线如图6 所示。

图6 不同推进距离下区段煤柱侧向支承压力分布曲线Fig.6 Distribution curve of lateral abutment pressure in coal pillar at different advancing distance

分析图6 可以看出，7313 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7313 工作面推进距离的增加，靠近7311 和7312 采空区一侧煤柱受影响较小，煤柱应力在距7312 采空区20 m 左右的位置达到峰值，应力峰值约71 MPa；受7313 工作面回采影响，7313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7313 工作面推进距离的增加，在距7312 采空区42~46 m 的位置，煤柱应力最小，在20~26 MPa。

（3） 随着7313 工作面采动空间的扩大，区段煤柱上方煤柱应力逐步增加。当工作面回采100 m时，煤柱峰值应力约34.9 MPa，距离7313 工作面采空区约12 m，煤柱原岩应力区范围约28 m；当工作面回采300 m 时，煤柱峰值应力约42 MPa，距离7313 工作面采空区约14 m，煤柱原岩应力区范围约26 m；当工作面回采500 m 时，煤柱峰值应力约49 MPa，距离7313 工作面采空区约16 m，煤柱原岩应力区范围约17 m；当工作面回采700 m时，煤柱峰值应力在62.5 MPa 之间，距离7313 工作面采空区约16 m，煤柱原岩应力区范围约14 m。由上述分析可知，区段煤柱两侧塑性区最大宽度分别为20 m 和18 m。煤柱中部弹性区宽度取两倍的煤层采高19 m，则煤柱宽度应为57 m。鉴于现场工程条件的复杂性，予以该结果1.2 倍的安全系数，即煤柱保持稳定的宽度为69 m。因此认为，煤柱宽度为90 m 时，可以保持稳定。

3 区段煤柱稳定性控制方案

众多研究表明，控制煤柱稳定性的关键在于能否有效降低煤柱应力集中程度。工作面的回采活动导致煤柱上方形成的悬臂梁结构是造成煤柱应力集中的主要原因。为解决区段煤柱承压较高引起的临近巷道变形破坏等问题，提出高位岩层断顶卸压方案，降低高位岩层传力能力。

根据岩层控制的关键层理论，确定煤层上方37.7 m 存在厚度为17.7 m 的坚硬中砂岩为关键层。图7 给出了高位岩层断顶卸压情况，设计在7313工作面轨道顺槽内沿工作面走向每隔10 m 施工一组扇形断顶孔，爆破断顶钻孔参数见表2。

表2 爆破断顶钻孔参数Table 2 Parameters of blasting broken roof drilling

4 结 论

（1） 基于理论计算和工程类比确定了断层影响下的区段煤柱合理宽度。理论计算得出，煤柱合理宽度约为90 m；工程类比得出，煤柱合理宽度约为66 m。认为合理区段煤柱留设宽度至少应为90 m。

（2） 以90 m 宽的区段煤柱为例，对回采过程中的煤柱应力分布规律进行模拟分析，结果表明，在该区段煤柱宽度条件下，煤柱能够保持稳定。

（3） 提出区段煤柱稳定性控制方案，对远场高位岩层采用切顶措施改变覆岩结构，切断覆岩应力传递，从而降低煤柱应力集中程度。