孙红俊

(山西汾西矿业集团水峪煤业，山西 孝义 032300)

0 引言

采煤工作面区段煤柱的大小，一直是研究采煤工作面支护经常探讨的课题。文中对5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m 6种煤柱宽度进行模拟，通过观测煤柱的侧向支承压力分布规律和剩余弹性应变能分布规律，发现在煤柱宽度增加过程中，煤柱中应力峰值由小变大，然后再变小，其支承压力分布曲线由“拱形”向“马鞍形”过渡。

1 工程概况

1304工作面位于-650 m水平，开采面积约159 824 m2，标高-536～-660 m，对应地面标高380 m，倾斜长度平均184 m，走向方向推进长度870.5 m。回采3#煤层，煤层倾角18°～21°，平均倾角为19°，煤厚平均7.5 m，属稳定性厚煤层，采用放顶煤开采工艺。煤层普氏硬度f=2～3，属于中硬煤层。煤层直接顶粉砂岩，厚1～5.76 m，灰～深灰色，夹灰～浅灰色细砂岩薄条带。基本顶为浅灰色中细砂岩，夹黑色炭质包体，有时见泥岩或粉砂岩包体，局部相变为粉砂岩、细砂岩互层，水平互层层理。直接底为灰黑色泥岩或粉砂岩，多含植物根部化石。经鉴定，3#煤层具有冲击倾向性。

2 建立数值模型

2.1 建立模型

数值计算模型以1304孤岛工作面地质条件为背景，煤(岩)体采用弹塑性本构模型，模型总共划分为432 000个单元格，451 369个网格节点。模型尺寸(长×宽×高)540 m×300 m×232 m，该模型采用摩尔-库伦本构模型，模型四周边界条件x、y方向分别施加水平约束，顶部施加等效荷载q=γ·h(γ为上覆岩层平均容重，取25 kN/m3，h为模型埋深，取600 m)，可以得到等效荷载为14.7 MPa。

首先利用FLAC3D内置的Null命令，模拟开采1303、1305两个工作面，等效为1304工作面的采空区，同时考虑边界效应的影响，沿x轴方向边界处留设50 m宽的煤柱，沿y轴方向边界留设30 m宽的煤柱，运输平巷和回风平巷侧各留5 m宽护巷煤柱。

图1 模型几何结构图

2.2 选取煤(岩)体物理力学参数

根据煤岩体的岩石力学特性，在支承压力和局部集中应力的叠加作用下，当煤(岩)体所承受的荷载大于其极限强度后，煤(岩)体将产生不同形式的破坏。通常情况下，煤(岩)体在发生塑性变形破坏后往往会保留一定的残余强度。煤岩体发生冲击地压所产生的破坏是沿着煤岩体弱面或软层滑动失稳的结果。岩石强度的屈服准则是判别某一点的应力是否进入塑性状态的判别准则，其中岩石摩尔-库伦模型的屈服准则为：

(1)

式中：σ1—最大主应力，MPa；σ3—最小主应力，MPa；C—内聚力，MPa；φ—内摩擦角，(°)。

当fs>0时，煤(岩)体发生剪切破坏；当ft<0时，煤(岩)体发生拉应力破坏。

2.3 数值模拟方案

参照1304工作面煤岩层地质条件，其它条件不变，通过模拟研究煤柱宽度为5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m时，煤柱侧向支承压力以及煤柱内剩余弹性应变能分布规律，揭示孤岛工作面煤柱失稳破坏变形规律，探讨采动对孤岛工作面冲击危险程度的影响。

3 不同煤柱宽度侧向支承压力分布规律

根据现场留设的运输平巷侧5.2 m煤柱与回风平巷侧4.2 m煤柱作为参考数值，在煤厚一定时(7.5 m)，本次模拟取煤柱宽度分别为5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m 6种工况，研究煤柱侧向支承压力分布规律，从而揭示孤岛工作面发生煤柱型冲击失稳的演化规律。采用Tecplot后处理软件处理FLAC3D模拟结果，得到不同煤柱宽度影响下侧向支承压力分布。通过借助FLAC3D内置的数据后处理功能，导出不同煤柱宽度的侧向支承压力值，得到不同煤柱宽度的侧向支承压力分布曲线如图2所示。

图2 不同煤柱宽度侧向支承压力分布曲线

当煤柱宽度<16 m时：即煤柱宽度为5 m、8 m、10 m时对应的应力峰值为24.1 MPa、29.5 MPa、35.1 MPa，随着煤柱宽度的增加，煤柱中侧向支承压力逐渐增大，煤柱中冲击危险程度也相应的增大。

当煤柱宽度为10 m时：煤柱中应力集中达到最大，易发生冲击危险，进而诱发煤柱型冲击地压，因此开采过程中不能留设10 m宽度的煤柱。

当煤柱宽度>10 m时：即煤柱宽度为16 m、24 m、30 m时对应的应力峰值为32.8 MPa、30.8 MPa、30 MPa，即随着煤柱宽度的增加，煤柱内支承压力呈现先增加后降低后增加的趋势。

当煤柱宽度>16 m时：虽然煤柱中支承应力逐渐减小，但是随着煤柱宽度的增大，又会引起巷道附近的应力集中程度增加，因此考虑到企业为提高煤炭采出率，减少事故率，从而达到安全、高产、高效的目的，建议采用小煤柱护巷的方法，最终选择留设5 m宽的煤柱作为护巷煤柱。

4 不同煤柱宽度剩余弹性应变能分布规律

根据赵阳升提出的最小能量理论可知，无论岩体在几维应力状态下破坏所需要的能量总是等于一维应力状态下破坏(即单轴压缩与剪切破坏)所消耗的能量。当煤体-围岩力学系统失稳所释放的能量大于其消耗的能量时即发生冲击地压，煤体中储存的弹性能与煤体破坏所需最小能量之差即为剩余弹性应变能。若煤岩体中剩余弹性能大于零，则有可能发生冲击地压，煤体中剩余弹性能越大，其发生冲击危险的可能性就越大。因此煤体破坏过程中剩余弹性能起到很大作用，研究煤体中剩余弹性能对预防冲击地压的发生起到了重要作用。

在煤厚一定时(7.5 m)，煤柱宽度为5 m、8 m、10 m、16 m、24 m、30 m 6种工况下，根据煤柱侧向弹性应变能分布规律，从而揭示煤柱冲击失稳性大小，研究了沿着倾斜方向不同煤柱宽度的剩余弹性应变能分布曲线。研究认为，随着煤柱宽度的增加，煤柱中积聚的弹性能也逐渐增大，从而工作面发生冲击地压的可能性也就增大，煤柱宽度为10 m时，冲击危险程度达到最大。随着煤柱宽度的增加，煤柱中剩余弹性能逐渐地减少，相对10 m时的煤柱其冲击危险程度大大降低。图3为不同煤柱宽度剩余弹性应变能密度分布曲线。

图3 不同煤柱宽度剩余弹性应变能密度分布曲线

当煤柱宽度<16 m时：即煤柱宽度为5 m、8 m、10 m时对应的剩余弹性应变能峰值分别为24.1 kJ/m3、29.5 kJ/m3、35.1 kJ/m3，随着煤柱宽度的增加，煤柱中剩余弹性应变能峰值逐渐增大。

剩余弹性能密度峰值为18.1 kJ/m3，此时煤柱中弹性应变能密度峰值小于煤(岩)破坏消耗的能量密度值，此时煤柱处于安全状态，不易发生冲击失稳。

5 结语

当煤柱宽度<10 m时，随着煤柱宽度的增加，其侧向支承压力峰值逐渐增大，当煤柱宽度>10 m时，煤柱中侧向支承压力峰值又逐渐降低。总体看来，在煤柱宽度增加过程中，煤柱中应力峰值由小变大，然后再变小，其支承压力分布曲线由“拱形”向“马鞍形”过渡。对比不同煤柱宽度发现当护巷煤柱宽度为5 m时，煤柱所受侧向支承压力以及煤柱中的剩余弹性应变能均较小，发生冲击危险的可能性较小，采区回采率高。