王智欣，高林君，胡 偉，徐 強

（1.陜西德源府谷能源有限公司 三道溝煤礦，陜西 府谷 719400；2.山東科技大學 能源與礦業(yè)工程學院，山東 青島 266590）

0 引 言

中國西部礦區(qū)煤礦可采煤層多，上部煤層開采后留有大量寬度不等的區(qū)段煤柱（6～30 m）。近距離煤層開采時，上煤層破斷覆巖結(jié)構(gòu)荷載將通過遺留煤柱向下煤層傳遞［1-3］，改變下煤層頂板應力狀態(tài)，對下煤層安全開采產(chǎn)生較大影響［4-5］，并誘發(fā)頂板事故、動載礦壓等災害［6-8］。因此，研究近距離煤層開采時遺留煤柱應力傳遞規(guī)律及下煤層礦壓顯現(xiàn)特征，對下煤層巷道合理位置確定及礦壓控制具有指導意義［9-11］。

國內(nèi)外專家針對近距離煤層開采時煤柱應力傳遞及下煤層巷道布置開展了大量研究。在煤柱應力傳遞研究方面，侯運炳等采用連續(xù)損傷模型研究了上煤層開采引起的底板損傷規(guī)律［12］；張華磊等通過建立底板中采動應力傳播理論模型，得出底板卸壓程度隨層間距增大而減小，確定采動支承壓力對底板巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律［13］；何富連等基于遺留煤柱主應力差在底板的傳遞規(guī)律，揭示底板中主應力差與應力降低區(qū)因素對巷道合理內(nèi)錯距離的影響［14-15］；齊學元等通過分析殘留煤柱支撐能力，得到不同尺寸煤柱在底板巖層中的應力傳遞規(guī)律，為下煤層工作面礦壓控制提供依據(jù)［16］；秦忠誠等通過數(shù)值模擬分析上下煤層巷道不同錯距時應力及變形破壞演化特征，確定厚煤層分岔區(qū)下分層回采巷道合理水平間距為30 m［17］。在區(qū)段煤柱尺寸優(yōu)化方面，賈喜榮等基于現(xiàn)有煤柱強度計算公式并對解析解進行簡化，提出煤柱極限尺寸計算方法［18］；朱建明等采用SMP屈服準則推導受上煤層采動影響時煤柱實體側(cè)及采空側(cè)塑性區(qū)計算公式，并通過工程實際進行驗證［19］；張念超等認為支護強度是決定煤柱尺寸的重要因素，改善煤柱承載性能可減小煤柱留設(shè)尺寸［20-21］。

目前針對近距離煤層交叉工作面礦壓顯現(xiàn)特征及下煤層煤柱寬度優(yōu)化研究還不多見。以西部礦區(qū)三道溝煤礦近距離煤層開采條件為研究背景，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場應用相結(jié)合的方法，研究近距離煤層雙巷布置開采遺留煤柱作用下巷道變形破壞特征，提出交叉工作面區(qū)段煤柱合理尺寸設(shè)計方法。研究結(jié)果可為近距離煤層交叉工作面合理煤柱留設(shè)提供借鑒和參考。

1 研究背景

1.1 巷道空間位置關(guān)系

三道溝煤礦主采煤層為2-2煤層、3號煤層和4號煤層等，采用下行開采方式。目前2-2煤層已開采完畢，正在開采3號煤層。3號煤層30101工作面與2-2煤層平均間距為32 m，間隔巖層以砂質(zhì)泥巖為主（圖1），布置在301盤區(qū)，平均埋深約為220 m。30101工作面長300 m，推進長度3 081 m，采用雙巷布置方式；煤層厚度1.91～5.6 m，平均為3.8 m，煤層傾角0～5°。2-2煤層遺留煤柱與3號煤層區(qū)段煤柱寬度均為20 m。

圖1 工作面地層柱狀圖Fig.1 Columnar section of stratum

由于2-2煤層變異，部分區(qū)域為無煤區(qū)，2-2與3號煤層工作面呈交叉布置，3號煤層部分區(qū)域巷道不可避免地穿越2-2煤層部分遺留煤柱下方（圖2）。

圖2 近距離煤層交叉工作面空間位置關(guān)系Fig.2 Spatial position relationship of cross working face in close-distance coal seam

1.2 遺留煤柱下巷道變形破壞特征

2-2煤層開采完畢開采3號煤層時，當工作面位于2-2煤層遺留煤柱下方區(qū)域，3號煤層巷道片幫嚴重，巷道支護系統(tǒng)失效，巷道變形大（圖3），影響正常使用。這主要是由于上煤層開采后遺留煤柱在底板產(chǎn)生應力集中，在上煤層遺留煤柱集中應力長期作用下，3號煤層巷道兩幫產(chǎn)生松動破壞，煤柱應力向深部轉(zhuǎn)移，塑性區(qū)寬度擴大，巷道出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)破壞形態(tài)，導致巷道頻繁返修并影響礦井安全生產(chǎn)。

圖3 遺留煤柱下巷道破壞形態(tài)Fig.3 Damage of roadway under residual coal pillar

2 近距離交叉工作面巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

圖4 巷道監(jiān)測儀器安裝布置Fig.4 Instrument installation layout in monitoring roadway

面前方150 m時開始出現(xiàn)兩幫移近，頂板下沉滯后于兩幫移近，巷道變形穩(wěn)定時兩幫移近量和頂板

2.1 巷道表面位移

30101 工作面推進過程中，2-2煤層遺留煤柱下巷道在工作面前方60 m時即受采動影響，巷道變形穩(wěn)定時兩幫移近量和頂板下沉量分別為163 mm和72 mm（圖5）；2-2煤層采空區(qū)下巷道在工作下沉量分別為26 mm和18 mm（圖5）。由此可見，受煤柱集中應力影響煤柱下巷道變形量顯著大于采空區(qū)下巷道。

圖5 不同測站巷道表面位移與工作面位置關(guān)系Fig.5 Relationship between roadway surface displacement and working face position in different stations

2.2 巷道頂板深部巖層位移

2-2煤層遺留煤柱下和采空區(qū)下3號煤層巷道頂板深部巖層位移變化規(guī)律較為相似，隨工作面推進時煤柱下的頂板深部巖層位移量大于采空區(qū)下（圖6），遺留煤柱下巷道頂板巖層位移量最大值為13 mm，采空區(qū)下頂板巖層位移最大值為5 mm。

圖6 不同測站頂板深部位移與工作面位置關(guān)系Fig.6 Relationship between deep roof displacement and working face position in different stations

2.3 區(qū)段煤柱應力

為研究不同位置處煤柱受力演化特征，設(shè)計不同深度鉆孔應力計。30101工作面推進過程中，遺留煤柱下3號煤層區(qū)段煤柱鉆孔深度19 m，17 m（距下煤層本工作面采空區(qū)距離分別為1 m，3 m）時鉆孔應力值先后大幅降低（圖7（a）），說明煤柱邊緣1～3 m處煤體塑性破壞；其他鉆孔應力值保持穩(wěn)定，煤體仍保持較高承載能力。采空區(qū)下3號煤層區(qū)段煤柱鉆孔深度19 m（距下煤層本工作面采空區(qū)邊緣1 m）處應力大幅降低（圖7（b）），其余鉆孔應力值基本保持穩(wěn)定，煤柱邊緣塑性破壞范圍在1～3 m。由此可見，3號煤層巷道煤柱塑性破壞范圍明顯受上方2-2煤層遺留煤柱集中應力作用的影響。

圖7 不同測站煤柱鉆孔應力與工作面位置關(guān)系Fig.7 Relationship between coal pillar drilling stress and working face position in different stations

2.4 錨桿（索）工作阻力

遺留煤柱下巷道頂板錨索受力變化明顯，增幅達到40.1 kN；采空區(qū)下巷道頂板錨索受力變化相對較小，頂錨桿受力增幅約為21 kN，幫錨桿受力增幅較小并基本保持穩(wěn)定（圖8）。

圖8 不同測站支護體受力與工作面位置關(guān)系Fig.8 Relationship between support force and working face position in different stations

結(jié)合不同參量巷道礦壓監(jiān)測結(jié)果，巷道受遺留煤柱傳遞集中應力影響更為顯著，采空區(qū)下巷道礦壓顯現(xiàn)較為緩和。3號煤層留設(shè)20 m區(qū)段煤柱時，30101輔運巷變形及區(qū)段煤柱破壞均較小，在工作面采動超前壓力和上煤層遺留煤柱共同作用下巷道保持較好穩(wěn)定性。

3 3號煤層區(qū)段煤柱寬度數(shù)值模擬

采用數(shù)值模擬方法可定量分析不同開采條件下區(qū)段煤柱受力及變形破壞范圍，為下煤層工作面區(qū)段煤柱合理寬度的確定提供依據(jù)［22-23］。在巷道礦壓實測和理論計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值建模（圖9）模擬分析2-2煤層遺留煤柱下底板應力分布特征，并研究受遺留煤柱集中應力影響時3號煤層區(qū)段煤柱應力及塑性區(qū)演化特征。數(shù)值模型采用摩爾庫倫本構(gòu)，模型采用的力學參數(shù)參照文獻［24］選取。

圖9 近距離交叉工作面數(shù)值模型Fig.9 Numerical model of close-distance cross working face

2-2遺留煤柱集中應力通過底板巖層向3號煤層頂板圍巖傳遞，隨深度增加時其值逐漸減小（圖10（a））；采空區(qū)下為卸壓區(qū)，隨深度增大時其值逐漸增大至原巖應力（圖10（b））。

選取我院120例慢性心衰急性加重期患者，心功能分級均≥2級。分為實驗組和對照組。兩組各60例。兩組患者的性別，年齡，體重，心功能分級均無明顯差異，兩組患者有較好對比。

圖10 不同條件下近距離煤層圍巖應力分布Fig.10 Stress distribution of surrounding rock in close distance coal seam under different conditions

當煤柱寬度過小時（8 m）應力呈單峰分布（圖11），由于煤柱兩側(cè)應力峰值互相疊加，塑性區(qū)貫通煤柱整體（圖12（a））。隨煤柱留設(shè)尺寸增大煤柱應力分布逐漸演化為雙峰型分布（圖11），煤柱中部應力逐漸減小并出現(xiàn)一定寬度彈性區(qū)。煤柱寬度12 m時煤柱承受較高支承應力，煤柱中部有5～6 m寬彈性區(qū)，煤柱及巷道較為穩(wěn)定（圖12（b））；煤柱寬度16 m與煤柱寬度20 m時煤柱應力及塑性區(qū)分布相似，煤柱穩(wěn)定性好（圖12（c）、圖12（d））。根據(jù)不同寬度區(qū)段煤柱受力的數(shù)值模擬結(jié)果，受上部集中應力作用時區(qū)段煤柱寬度應不小于12 m。

圖11 不同寬度煤柱內(nèi)支承應力分布Fig.11 Distribution of abutment stress in coal pillars with different width

圖12 不同寬度煤柱內(nèi)塑性區(qū)分布Fig.12 Distribution of plastic zone in coal pillars with different width

4 3號煤層區(qū)段煤柱寬度理論分析

4.1 近距離煤層開采影響系數(shù)α

單煤層開采時區(qū)段煤柱寬度確定方法已取得較多成果［25］，但在近距離煤層開采時，還需考慮上煤層遺留煤柱傳遞的集中應力對下煤層巷道的影響［26］。為此，基于近距離煤層開采遺留煤柱集中應力傳遞特征，提出考慮煤柱下集中應力作用的近距離煤層開采影響系數(shù)α，其計算方法為煤柱下集中應力與原巖應力之比。

根據(jù)遺留煤柱和采空區(qū)下底板應力分布數(shù)值模擬結(jié)果（圖9），3號煤層受上部2-2煤層遺留煤柱及采空區(qū)影響時，底板32 m深處應力值分別為6.7 MPa和3.4 MPa（圖13）?？紤]3號煤層平均埋深（220 m），計算得到遺留煤柱和采空區(qū)影響系數(shù)α分別為1.22和0.62。

圖13 不同條件下底板應力與深度關(guān)系Fig.13 Relationship between floor stress and depth

4.2 下煤層工作面區(qū)段煤柱寬度確定

上區(qū)段回采結(jié)束后區(qū)段煤柱一側(cè)為采空區(qū)，另一側(cè)為下區(qū)段巷道，煤柱兩側(cè)均產(chǎn)生一段寬度的塑性區(qū)，采空側(cè)大于巷道側(cè)。為保持巷道穩(wěn)定，區(qū)段煤柱中部應存在穩(wěn)定區(qū)域。考慮近距離煤層開采集中應力傳遞等因素并引入近距離煤層開采影響系數(shù)α，結(jié)合傳統(tǒng)極限平衡區(qū)理論［27］，提出近距離煤層開采的煤柱極限平衡區(qū)寬度計算方法（圖14）。對比考慮影響系數(shù)α的紅色曲線和未考慮α時的黑色曲線，受上煤層遺留煤柱影響，下煤層區(qū)段煤柱平衡區(qū)寬度顯著減小，改進的計算方法更適合近距離煤層開采。

圖14 近距離煤層開采煤柱彈塑性變形區(qū)分布Fig.14 Elastoplastic deformation area of coal pillar in close distance coal seams

參照文獻［27］中x0計算方法并考慮近距離煤層開采影響系數(shù)α，確定2-2遺留煤柱下區(qū)段煤柱采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度x0′為3.42 m。30101工作面輔運巷區(qū)段煤柱側(cè)錨桿有效支護長度1.8 m，區(qū)段煤柱回采巷道側(cè)的塑性區(qū)寬度x1取值為1.8 m。根據(jù)區(qū)段煤柱保持穩(wěn)定的基本條件［28］，綜合采空側(cè)塑性區(qū)、回采側(cè)塑性區(qū)和彈性區(qū)寬度，計算確定3號煤層巷道位于2-2煤層遺留煤柱下方時，煤柱保持穩(wěn)定的最小寬度為12.82 m。

5 3號煤層區(qū)段煤柱合理寬度驗證

針對近距離煤層工作面交叉布置的特殊條件，綜合現(xiàn)場實測、理論分析（12.82 m）與數(shù)值模擬（≥12 m）結(jié)果，確定受上部遺留煤柱集中應力作用時3號煤層區(qū)段煤柱寬度為13 m。為驗證研究結(jié)論合理性，將與30101工作面相鄰的30102工作面區(qū)段煤柱寬度由原來的20 m縮減為13 m，并加強遺留煤柱下巷道錨桿（索）支護。

通過30102工作面回采過程中輔運巷表面位移及頂板巖層深部位移現(xiàn)場實測，驗證煤柱合理寬度及巷道支護有效性。當2-2煤層遺留煤柱下巷道測點距工作面距離為60 m時巷道開始受到采動影響，當2-2煤層遺留煤柱下巷道工作面推過測點130 m左右時變形基本穩(wěn)定（圖15（a））。工作面推過測站150 m左右時圍巖深部位移趨于穩(wěn)定，頂板上方0～2.5 m范圍內(nèi)離層量為19 mm，頂板上方4～7 m范圍內(nèi)離層量為23 mm（圖15（b））。

巷道變形可較好地反應巷道礦壓顯現(xiàn)程度和穩(wěn)定性特征，對比圖5，圖6與圖15中巷道變形量，煤柱尺寸縮減為13 m時巷道表面收斂及頂板不同位置處巖層位移均相對增長，增長量分別為113 mm和5 mm，但增長幅度較小?？梢?，煤柱尺寸優(yōu)化后，交叉工作面巷道保持較好穩(wěn)定性。

圖15 區(qū)段煤柱13m時巷道變形規(guī)律Fig.15 Roadway deformation after coal pillar size optimization

6 結(jié) 論

1）近距離交叉煤層開采時，受上煤層遺留煤柱集中應力作用，下煤層巷道出現(xiàn)頂板下沉和幫部鼓出等失穩(wěn)破壞形態(tài)，礦壓顯現(xiàn)比采空區(qū)下巷道更為明顯。

2）近距離交叉煤層開采時應考慮上煤層遺留煤柱集中應力傳遞特征，提出采用近距離煤層開采影響系數(shù)α表達集中應力影響，確定的下煤層區(qū)段煤柱寬度可滿足巷道圍巖穩(wěn)定性要求。

3）下煤層工作面開采過程中，區(qū)段煤柱兩側(cè)應力峰值互相疊加，煤柱寬度較小時，煤柱應力超過煤體強度，煤柱塑性區(qū)貫通煤柱整體；隨煤柱留設(shè)尺寸增大煤柱應力分布逐漸演化為雙峰型分布，煤柱中部應力逐漸減小并出現(xiàn)一定寬度彈性區(qū)。

4）確定近距離交叉煤層開采條件下區(qū)段煤柱寬度并應用于開采地質(zhì)條件相同的相鄰工作面，煤柱寬度優(yōu)化后巷道變形略有增長，煤柱及巷道較為穩(wěn)定。