CN111460564A - 深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度的确定方法，包括以下步骤：A、满足超高水充填材料保水的区段煤柱宽度DS的确定；B、满足合理防冲的区段煤柱宽度Dc的确定；C、深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度Dq的确定。本发明考虑了两方面因素对区段煤柱宽度的要求，一方面是满足超高水充填材料保水，根据Winkler弹性地基研究模型确定了设计区段煤柱宽度大于塑性区宽度，另一方面是满足合理防冲，根据“采空区‑区段煤柱‑关键层”覆岩结构特征，确定了设计区段煤柱宽度大于区段煤柱极限稳定的宽度，以此来确定深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度，从而达到了区段煤柱防冲和充填体保水的双重目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿开地下开采灾害防控领域，具体地说涉及一种深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度的确定方法，以在深井冲击煤层充填工作面保持区段煤柱围岩结构稳定，防止区段煤柱冲击。
背景技术
目前我国采深超千米的矿井接近50座，随着浅部煤炭资源日趋枯竭，深部开采势在必行，采深不断增加面临的深部开采冲击地压等矿山动力灾害问题越来越突出，充填开采能够降低采动覆岩运动影响范围和剧烈程度，成表示缓解上述问题的重要技术手段之一。
采场留设的区段煤柱主要起隔离采空区及控制次生灾害等作用，能够降低采空区后方形成区段煤柱高应力及冲击失稳的可能性，煤矿冲击地压的发生与开采覆岩结构运动状态及其向采场煤岩体应力传递和集中关系密切，区段煤柱宽度是影响上述因素的关键。而充填体的强度越大、充填范围越广，对顶板控制效果越好，充填体能够一定程度抑制顶板运动剧烈程度和范围，对降低冲击地压的发生是有利的，但超高水材料的物理力学特性和实际充填量尚无法保证完全控制顶板运动，为了避免区段煤柱设计不合理造成开采过程中区段煤柱冲击失稳，需要采前开展合理区段煤柱宽度研究，并结合充填体保护等技术要求最终确定区段煤柱宽度。
然而目前，对这方面技术还缺乏针对性研究成果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够达到区段煤柱防冲和充填体保水的双重目的的深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度的确定方法。
表示了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度的确定方法，包括以下步骤：
A、满足超高水充填材料保水的区段煤柱宽度DS的确定
A1)确定工作面基本顶断裂线位置距区段煤柱边缘的距离ρ
ρ的计算公式如式(1)所示：
式(1)中，
k表示Winkler地基系数，E0I0表示工作面基本顶岩梁结构抗弯刚度，M0、Q0、N0分别表示区段煤柱边缘位置所对应工作面基本顶岩梁结构弯曲的截面弯矩、剪力和轴力；
A2)确定DS
DS满足DS≥2ρ；
B、满足合理防冲的区段煤柱宽度Dc的确定
B1)确定区段煤柱综合支承强度R
R的计算公式如式(2)所示：
式(2)中，D表示防冲区段煤柱宽度，σC表示工作面煤层单轴抗压强度，
表示
的最大值，
表示
的最小值；
B2)确定区段煤柱受到的静态支承应力σz
σz的计算公式如式(3)所示：
设工作面关键层距工作面煤层高度为h，式(3)中，γ为工作面煤层至地表所有岩层的平均容重，α表示工作面煤层至地表所有岩层的综合破裂移动角，S＝(hcosα+D)h，Fs表示防冲区段煤柱受到的支承集中力，
A＝D+0.5(L0+l0)，q表示工作面关键层在其梁长度方向受到的均布载荷，L0、l0表示防冲区段煤柱两侧采空区的宽度，L、l表示防冲区段煤柱两侧采空区上方关键层底部悬露边缘尺寸，且满足 L＝L0-2hcosα、l＝l0-2hcosα；
B3)确定区段煤柱失稳判据
定义IC为区段煤柱整体稳定性指数，IC的计算公式如式(4)所示：
IC＝σz/R 式(4)；
式(4)中，当IC＜1.0，区段煤柱保持整体稳定，当1.0≤IC＜1.2，区段煤柱整体弱冲击危险性，当1.2≤IC＜1.5，区段煤柱整体中等冲击危险性，当1.5≤IC，区段煤柱整体强冲击危险性；
B4)确定Dc
IC取极限值1.0时，反推得到的D值记做D1.0，则Dc满足Dc＞D1.0；
C、深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度Dq的确定
Dq满足Dq＞max[DC，DS]。
进一步地，ρ＝2～9m。
进一步地，IC取值0.5时，反推得到的D值记做D0.5，则DC满足DC≤D0.5。
进一步地，设置宽度富余量，Dc满足Dc＞D1.0+宽度富余量。
本发明的有益效果体现在：
本发明考虑了两方面因素对区段煤柱宽度的要求，一方面是满足超高水充填材料保水，根据Winkler弹性地基研究模型确定了设计区段煤柱宽度大于塑性区宽度，另一方面是满足合理防冲，根据“采空区-区段煤柱-关键层”覆岩结构特征，确定了设计区段煤柱宽度大于区段煤柱极限稳定的宽度，以此来确定深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度，从而达到了区段煤柱防冲和充填体保水的双重目的。
附图说明
图1是采场平面布置图。
图2a是关键层弯曲离层状态图。
图2b是关键层弯曲触矸状态图。
图3a是区段煤柱两侧采空形成的覆岩空间结构的平面示意图。
图3b是区段煤柱两侧采空形成的覆岩空间结构的竖直剖面示意图。
图4a是Τ型模型力学简化分析的关键层触矸截面弯曲正应力示意图。
图4b是Τ型模型力学简化分析的关区段煤柱及支承岩体受力简化示意图。
图4c是Τ型模型力学简化分析的Τ型模型水平和竖直结构受力简化示意图。
图5a是Τ型模型的超静定简化分析示意图(均布载荷q和集中力Fs共同作用)。
图5b是Τ型模型的超静定简化分析示意图(均布载荷q单独作用)。
图5c是Τ型模型的超静定简化分析示意图(集中力Fs单独作用)。
图6是充填体对区段煤柱的挡土墙作用示意图。
图7是不同参数与区段煤柱宽度变化关系曲线图。
图8a微震监测结果的平面分布图。
图8b微震监测结果的剖面分布图。
图9a是CG1307工作面前方巷道围岩变形特征。
图9b是CG1307工作面后方充填变形特征。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解表示指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”表示例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，“多个”指两个以上。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现表示基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认表示这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明考虑了两方面因素对区段煤柱宽度的要求，一方面是满足超高水充填材料保水，另一方面是满足合理防冲，以此来确定深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度Dq。下面详细描述本发明的设计思路。
一、研究背景介绍
山东某煤矿设计年生产能力60万吨，CG1307工作面采用综合机械化走向长壁采煤工艺，采空区采用全袋包充填技术控制顶板，采用的超高水充填体材料由A、B物料组成，其中水体积可达95％，充填工艺采用三八工作制度，平均充填步距为1.8m，在一个充填班中，时间安排是2h充填准备工作、4h正常充填、2h充填后的辅助。CG1307工作面紧邻 CG1306充填采空区，受井田边界和断层构造等复杂条件的影响，工作面呈不规则“刀把型”布置，走向长约970m，倾斜长39～80m，轨道顺槽两侧为实体煤，皮带顺槽紧邻CG1306 充填采空区，采空区宽度为100～130m，如图1所示，开采区域地面标高+46～+47m，井下标高-700～-640m，主采3煤层，总体为单斜构造，煤层产状变化较小，平均倾角7°，煤厚2.5～3.7m，平均厚度3m。根据国家标准GB/T 25217.2-2010《煤的冲击倾向分类及指数的测定方法》的鉴定结果：3煤层具有弱冲击倾向性，煤层单轴抗压强度为12.5MPa。
CG1307工作面基本顶(基本顶为采矿专有名词，后面的工作面都是指CG1307工作面)为4.3m中砂岩，基本顶为4.4m中砂岩，距3煤顶板最近的一组细砂岩亚关键层高度为25.3m、厚度为11.2m，14.2m厚的中砂岩主关键层距离3煤顶板93.4m。工作面顶、底板均具有弱冲击倾向性，工作面顶、底板综合柱状如表1所示。
表1工作面顶、底板综合柱状图
前期矿井多个充填工作面开采实践表明，充填体的强度越强、充填范围越广，对顶板控制效果越好，充填体能够一定程度抑制顶板运动剧烈程度和范围，对降低冲击地压的发生是有利的，但超高水材料的物理力学特性和实际充填量尚无法保证完全控制顶板运动，为了避免区段煤柱设计不合理造成开采过程中区段煤柱冲击失稳，需要采前开展合理区段煤柱宽度研究，并结合充填体材料保护等技术要求最终确定区段煤柱宽度。
二、沿空充填开采“采空区-区段煤柱-关键层”覆岩结构特征
矿上压力理论研究表明，采场“覆岩结构形成与运动-应力集中与转移-矿压形成与显现”之间关系密切，研究采场覆岩结构特征是进行采动灾害辨识与科学防控的前提。根据钱鸣高院士等(QIAN Minggao，MIAO Xiexing，XU Jialin，et al.Key stratatheory.China University of Mining and Technology Press，2000，59-88.)提出的岩层控制的关键层理论，覆岩结构形成与破坏主要是以关键层的运动状态为主要判别依据。本发明根据充填采空区充填效果、区段煤柱隔离支撑作用和关键层运动状态等特征，进一步辨识沿空充填开采条件下的覆岩结构特征。
2.1充填开采条件下考虑基本顶断裂线的区段煤柱宽度条件
采场留设的区段煤柱主要起隔离采空区及控制次生灾害等作用，多数冲击灾害矿井采用无(负)或窄区段煤柱留设方法，能够降低采空区后方形成区段煤柱高应力及冲击失稳的可能性。超高水充填开采需要留设区段煤柱并对其有一定要求：1)具有足够的强度，保证采空区后方区段煤柱不会冲击失稳；2)区段煤柱两侧塑性区未贯通，保证采空区后方超高水充填体不会渗流“失水”，区段煤柱具有一定的弹性区分布，不能采用“贯穿式”钻孔卸压。
因此，超高水充填开采工艺条件下，要求采空区后方区段煤柱整体未达到塑性状态，并对覆岩结构具有一定的承载能力，深部、超高水充填采场多采用留设大区段煤柱方案，大区段煤柱是否可以形成上覆岩层结构的支撑体，需要综合考虑两方面因素：基本顶岩层断裂线因素和区段煤柱支承强度因素。
基本顶断裂线因素可以根据Winkler弹性地基研究模型及相关的研究成果确定(Peng Kang,Yin Xuyan,Yin Guangzhi,et al.Galerkin solution of Winklerfoundation-based irregular Kirchhoff plate model and its application in crownpillar optimization.Journal of Central South University,2016,23(5).1253-1263)。基本顶断裂线位置位于煤壁内部，大致断裂位置采用基本顶最大弯矩所在位置估算，工作面基本顶断裂线位置距区段煤柱边缘的距离为ρ。ρ的计算公式如式(1)所示：
式(1)中：
k表示 Winkler地基系数，E0I0表示工作面基本顶岩梁结构抗弯刚度；M0、Q0、N0分别为区段煤柱边缘位置所对应工作面基本顶岩梁结构弯曲的截面弯矩、剪力和轴力。不同条件下区段煤柱宽度ρ＝2～9m(LI Xue.Study on selection of roadway protection mode andsurrounding rock controlling under fracture line of thick hard roof.AnhuiUniversity of Science and Technology，2015.)，当区段煤柱宽度超过4～18m时，区段煤柱具有一定的弹性区分布，并具有承载强度，对采场覆岩结构形成和破坏产生影响。为了方便研究，以下探讨的超高水充填开采条件下区段煤柱留设问题，是在假设区段煤柱具有弹性区宽度D＞2ρ和未发生整体冲击失稳情况下进行的。
2.2充填采空区上覆关键层状态辨析
工作面开采和充填后，首先冒落的是直接顶，随着推采范围增加，煤层上方各级岩层受到开采扰动和自重应力共同作用下，能够自下而上逐层破裂运动，并在充填体上形成冒落和填充效果，由于单个工作面开采对顶板扰动以及覆岩破裂运动范围影响均有限，覆岩中存在一组受采动影响小且未发生破断的关键层，该关键层相对厚度大、强度高，对应的抗弯刚度大，在具有充分“运动空间”条件的情况下，能够与下方软、弱、薄的岩层逐步发生离层作用(Wang Pu,Jiang Jinquan,Zhang Peipeng,et al.Breaking process andmining stress evolution characteristics of a high-position hard and thickstratum.International Journal of Mining Science and Technology,2016,26(4):563-569.)，“运动空间”大小除了与关键层自身的厚度、强度及距离煤层高度参数有关，还与充填开采效果、低位破裂和变形岩层碎涨性等有关。根据上述2个方面，以关键层最终弯曲变形稳定后是否与底部的低位破裂和变形岩层发生触矸作用为条件，大致划分2种典型的充填采空区上覆关键层状态：弯曲离层和弯曲触矸，如图2a和2b所示。
具体的理论判据分析，设工作面煤层厚度m，关键层厚度h1(关键层可以是亚关键层或主关键层，根据具体工况确定最终保持稳定的关键层层位)、工作面关键层距工作面煤层高度为h，采空区充填率η，工作面煤层底板至关键层底板破裂和变形岩层的碎涨系数为K，由于关键层的弯曲挠度相对于岩层离层值是无穷小量，则关键层发生弯曲离层的条件如下式(2)所示：
反之，得到关键层发生弯曲触矸的条件如下式(3)所示：
由上述式(2)和(3)表达式分析表明，当关键层距离煤层h越远，采空区充填率η越高，开采煤层厚度m越小，通常能够形成弯曲触矸状态，相反则越容易形成弯曲离层状态。针对CG1306充填采空区条件，3煤层厚度m＝3.0m，细砂岩亚关键层距煤层高度h＝25.3m (为CG1306充填采空区岩层破裂后保持稳定的关键层)，采空区充填率η＝0.85～0.95，平均0.9，煤层底板至关键层底板之间破裂和变形岩层的综合碎涨系数为K＝1.3，代入计算得到m/h＝0.12，(K-1)/(1-η)＝3.0，m/h<<(K-1)/(1-η)，判断CG1306充填采空区上方的细砂岩亚关键层处于弯曲触矸状态。以下针对工程背景，研究充填采空区关键层弯曲触矸状态的采场覆岩空间模型，其他开采条件下形成的弯曲离层状态及其采场覆岩空间结构模型，可参考本发明思路，这里不过多赘述。
2.3充填开采“采空区-区段煤柱-关键层”覆岩结构特征分析
根据工程背景分析，紧邻的两个工作面先后采空后，以区段煤柱为中心由一侧采空向两侧采空过渡，在区段煤柱未达到失稳条件之前，区段煤柱两侧同时存在不完全对称的采空区及其上覆关键层弯曲触矸结构，如图3a和3b所示。煤层开采的上覆岩运动大致按一定角度自下而上发展，并且近似呈一定的破裂角度(XU Bin，JIANG Jinquan，DAI Jin，etal.Mechanical derivation and experimental simulation of breaking angle of keystrata in overlying strata.Journal of China Coal Society，2018，43(3)：599-606.)，设工作面煤层至地表所有岩层的综合破裂移动角α，区段煤柱两侧采空区宽度分别为L0、l0，关键层底部悬露边缘尺寸为L、l，满足L＝L0-2hcosα、l＝l0-2hcosα，区段煤柱宽度为D。
由“采空区-区段煤柱-关键层”形成的覆岩结构模型近似呈Τ型(Cao Anye，ZhuLiangliang，Li Fuchen，et al.Characteristics of T-type overburden structure andtremor activity in isolated face mining underthick-hard strata.Journal ofChina Coal Society，2014，39(2)： 328-335)，或称之为Τ型模型，为了预测不同宽度的区段煤柱应力集中程度和冲击危险性，首先分析Τ型模型特点及尺寸。
Τ型模型内各结构作用和受力变形特点：关键层作为地层系统的“骨架”，对采场上覆岩层形成支承，构成了Τ型模型的水平结构，该水平结构在竖直方向上发生弯曲变形；采空区充填体通过对冒落和填充的破裂、变形岩层形成支承作用，从而保证了挠曲关键层在采空区岩层上的稳定触矸效果，构成了Τ型模型两侧辅助固支结构，该固支结构在水平和竖直方向同时发生挤压变形；区段煤柱如能够满足一定强度的条件下，区段煤柱及其支承的正上方岩层共同组成了Τ型模型的中间主体支撑结构，主要对Τ型模型水平结构的关键层形成竖直方向支撑作用，同时“隔离”两侧采空区，该竖直结构近似处于压缩变形状态，并与水平结构在竖直方向上发生协调变形。
Τ型模型内各元素的几何尺寸：竖直高度为煤层厚度m、关键层距煤层高度h以及关键层厚本身度之和h1，模型的竖直高度等于m+h+h1；水平方向的宽(长)度等于区段煤柱两侧采空区上方弯曲触矸状态的关键层触矸点(触矸点支承应力近似为集中载荷)之间水平距离，大小等于D+0.5(L0+l0)或D+2hcosα+0.5(L+l)。
2.4型模型力学分析及求解
2.4.1力学模型构建
通过对沿空充填开采“采空区-区段煤柱-关键层”覆岩结构特征的定性分析，初步探讨了Τ型模型内各结构受力变形和尺寸大小，为了便于Τ型模型力学分析和求解，如图4a、 4b、4c表示Τ型模型简化力学分析结果，对相关条件进行假设：采空区宽度或弯曲触矸状态的关键层一般远大于区段煤柱宽度，Τ型模型水平结构以挠曲变形为主，竖直结构以压缩变形为主，水平岩梁视为弹性岩梁，区段煤柱视为弹性铰支座(区段煤柱上方岩体对关键层的支承按集中力简化，集中力用Fs表示)，关键层弯曲触矸并压实采空区后，采空区岩层对关键层的触矸支承作用简化成集中力，两侧采空区分别用Fl、FL表示。关键层在触矸点处截面水平集中力用F平表示，F平等于截面弯曲正应力σ′在截面厚度方向上的定积分，即
σ′以截面中心轴为界，上、下分别受到大小相等、方向相反的弯曲应力，则
关键层在其梁长度方向受到的均布载荷为q，区段煤柱上方岩体对关键层支承应力σs，区段煤柱煤体受到的支承应力σz。
2.4.2考虑区段煤柱协调变形的超静定求解
Τ型模型内含有Fl、FL、Fs共3未知力，静力学相互独立平衡方程为力系∑F＝0、力矩∑M＝0，需要根据区段煤柱岩体整体协调变形进行超静定求解，简化模型的受力及变形，如图5a、5b、5c所示，分别计算均布载荷q、集中力Fs单独作用，引起岩梁在x＝0.5(L0+D) 处挠度，并根据岩梁挠曲变形的叠加法原理和x＝0.5(L0+D)处协调变形结果，令 A＝D+0.5(L0+l0)，推导Fs的过程如下：
(1)均布载荷q单独作用下岩梁在x＝0.5(L0+D)处挠度wq如式(4)所示：
其中：E、I为关键层弹性模量、单位宽度截面惯性矩。
(2)集中力Fs单独作用下岩梁在x＝0.5(L0+D)处挠度
如式(5)所示：
(3)如区段煤柱岩体未破坏，且忽略其竖直方向压缩变形量，岩梁在x＝0.5(L0+D)处变形协调的条件
因此满足等式(6)：
(4)联立式(4)～(6)求解Fs表达式如式(7)所示：
2.5基于区段煤柱防冲-充填体保水的区段煤柱宽度确定
深部防冲区段煤柱宽度一般不超过9m(Zhang Junfei，Jiang Fuxing，ZHU Sitao，et al. Width design for gobs and isolated coal pillars based on overallburst-instability prevention in coal mines.Journal of Rock Mechanics andGeotechnical Engineering，2016，8(4)：551–558)，甚至采用无或负区段煤柱(ChengYunhai,Bai Jinchao,Ma Yankun,et al.Control Mechanism of Rock Burst in theFloor of Roadway Driven along Next Goaf in Thick Coal Seam with LargeObliquity Angle in Deep Well,2015(6):1-10)，而大区段煤柱对防止超高水充填体渗水(即“保水”效果)有利，沿空充填开采区段煤柱留设，既要满足冲击地压防治要求，又要兼顾超高水充填材料保水效果，以及资源有效回收。
2.5.1基于防冲的区段煤柱宽度
(1)区段煤柱煤体静态支承应力
静态条件下，区段煤柱煤层受到集中力Fs，以及高度为h的“倒梯形”区段煤柱岩体重力(图4b)，设“倒梯形”区段煤柱岩体与区段煤柱的接触面积为S(考虑单位截面)，则S＝(hcosα+D)h，区段煤柱受到的静态支承应力σz如式(8)所示：
式中，γ为工作面煤层至地表所有岩层的平均容重。
(2)区段煤柱承载强度
一般情况下采空区充填率0＜η＜1，考虑采空区充填效应，底部充填段(高度为ηm)所受的侧向压力可近似采用挡土墙理论方法，顶部未充填段(高度为m-ηm)区段煤柱边缘无侧向应力，如图6所示。因此，采用顶部未充填段区段煤柱估算区段煤柱承载强度。参考文献(ZHANG Ming，CHENG Yunhai，WANG Lei，et al.Structure model and stabilityresearch of thick hard strata-coal pillar in shallow-buried re-minedpanels.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2019，38(1)：87–100)，区段煤柱具有“塑性-弹性”两部分区域时，其综合支承强度R近似为式(9)：
式(9)中：σC为工作面煤层单轴抗压强度；D＞2ρ时区段煤柱具有弹性区分布，区段煤柱中间处于弹性状态，
区段煤柱边缘处于塑性应力状态，
D≤2ρ时区段煤柱处于完全塑性状态，R≈σC。
(3)区段煤柱整体冲击危险性判据
按照冲击地压发生的应力条件，作用在区段煤柱的静态支承应力，超过煤体极限支承强度时，区段煤柱即达到了整体冲击失稳的力学启动条件，联立式(8)、(9)得到区段煤柱失稳判据如式(10)所示：
IC＝σz/R 式(10)
式(10)中：IC定义为区段煤柱整体稳定性指数，当IC＜1.0，区段煤柱保持整体稳定， 1.0≤IC＜1.2，区段煤柱整体弱冲击危险性，1.2≤IC＜1.5，区段煤柱整体中等冲击危险性， 1.5≤IC，区段煤柱整体强冲击危险性。
根据以上分析，可以预测分析区段煤柱不同稳定性条件下的宽度，IC取值1.0时，反推得到的D值记做D1.0，即为区段煤柱极限稳定的宽度，则Dc应满足Dc＞D1.0。
更优选的，IC取值0.5时，反推得到的D值记做D0.5，则DC满足DC≤D0.5。
另外，考虑到采掘过程中不确定因素，可设置宽度富余量，Dc满足Dc＞D1.0+宽度富余量。宽度富余量与矿井条件和工程技术有关，一般来讲不超过1m，通常为0～0.5m。
2.5.2超高水充填材料保水对区段煤柱宽度要求
采空区充填体主要由2种超高水充填材料配比组成，水体积可达95％以上，为了防止充填体形成渗水导致其功能失效，区段煤柱宽度应大于塑性区宽度，考虑区段煤柱两侧均有采空区分布，则满足超高水充填材料保水的区段煤柱宽度DS≥2ρ，且D越大越有利于超高水充填材料保水效果。
综上，要满足合理防冲和超高水充填材料保水，深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度Dq应满足Dq＞max[DC，DS]。
三、应用与分析
3.1合理区段煤柱宽度确定
根据开采范围基本情况，工作面细砂岩亚关键层厚h1＝11.2m，距3煤高h＝25.3m，亚关键层底板到主关键层底板之间距离Δh＝57m，取工作面覆岩平均容重γ＝25kN/m3，估算亚关键层岩梁结构所承受的上覆岩层载荷为q＝γΔh＝0.025×57＝1.43MPa，CG1307、CG1306 充填采空区宽度平均取L0＝50m、l0＝110m，区段煤柱宽为D，覆岩综合破裂角α≈80°，得到L＝L0-2hcosα＝41.2m、l＝l0-2hcosα＝101.2m，Τ型模型水平尺寸 A＝D+2hcosα+0.5(L+l)＝D+80m。3煤平均厚度m＝3.0m，煤体单轴抗压强度约为12.5MPa，考虑充填影响下的区段煤柱弹、塑性参数近似取
ρ≈3m。
(1)防冲区段煤柱宽度D确定。将参数代入式(8)～(10)由此得到区段煤柱静态支承应力σz、区段煤柱承载强度R(左侧坐标)以及区段煤柱整体稳定性指数IC＝σz/R(右侧坐标) 与区段煤柱宽度D变化曲线，如图7所示。D≤2ρ≈6m时，区段煤柱处于塑性状态，R<<σz，IC＞2.5；6m＜D≤9m时，1.0＜IC≤2.5，且IC随着区段煤柱D增加而减小；9m＜D≤13.5m 时，0.5≤IC＜1.0，且IC随着区段煤柱D而增大而减小；D＞13.5m时，IC＜0.5并趋于稳定值。从冲击地压防治角度出发，合理防冲区段煤柱宽度9m＜Dc≤13.5m，若考虑采掘过程中不确定因素，加上富余量，取Dc＝9～10m。
(2)超高水充填材料保水对区段煤柱宽度要求。满足超高水充填材料保水的区段煤柱宽度D＞DS≥2ρ，因此工程背景条件下的充填材料保水区段煤柱宽度DS≥2ρ＝6.0m，取DS＝7m。
综合以上区段煤柱防冲、充填体保水2个方面，得到了区段煤柱宽度Dq＞max[DC，DS]＝10m。同时考虑资源有效回收等因素，最终确定合理区段煤柱宽度Dq＝10m。
3.2现场应用效果监测
CG1307充填工作面参考研究结果，实际留设了10m区段煤柱。控制推采速度3～6m/d，回采过程中液压支架工况良好，采场及巷道围岩未出现明显的动力性破坏。井下安装全矿井微震监测系统，主要包含5台采集仪，20台微震传感器，保证了CG1307微震监测的范围和精度要求，通过微震监测空间的三维[X，Y，Z]定位(LUO X，HATHERLY P.Application ofmicroseismic monitoring to characterise geomechnic conditions in longwallmining. Exploration Geophysics，1998，29：489–493.)结果反映采场岩层运动和区段煤柱稳定性情况。
如图8a和8b，统计分析工作面切眼至采空区初次见方(水平推采距离约58m)期间微震事件：(1)工作面超前微震事件最大影响范围65m；(2)工作面沿空侧、实体侧微震事件最大影响范围均为30m，两侧近似对称分布；(3)工作面后方微震事件最大影响范围25m；(4)工作面岩层最大破裂高度距煤层50m，低位岩层距煤层0～30m，高位岩层距煤层30～50m；(5)工作面皮带顺槽一侧未出现微震集中，微震破裂高度、集中程度和分布范围均与轨道顺槽相似，区段煤柱侧岩层仍以侧向围岩运动为主，未出现区段煤柱失稳造成的大范围岩层运动和微震集中事件；(6)工作面监测微震能量未达到微震冲击预警指标：每天不超过106J，单次不超过105J，未出现覆岩空间结构失稳诱发的强矿震。从微震事件分布范围、破裂高度、集中程度及无强矿震等特点，推断CG1307充填开采过程中，亚关键层及其控制的部分岩层经历“离层-弯曲-触矸-稳定”过程，采空区覆岩运动范围未达到中砂岩主关键层赋存高度，且主关键层处于稳定状态。
同时，现场矿压观测了CG1307工作面前方巷道围岩、后方充填变形特征，如图9a和9b，工作面前方65m区段煤柱侧巷道煤壁未出现片帮、臌帮现象，工作面后方5m采空区充填体表面均完整、无充填体液体渗出，区段煤柱与充填体之间强度耦合性良好，应用效果表明留设的10m区段煤柱未发生冲击失稳，充填体完好，基本实现了防冲、保水预期目标。实际实践效果与理论分析基本吻合，进一步说明研究方法和区段煤柱宽度设计合理性。
四、结论
(1)区段煤柱宽度是影响深部采场覆岩结构分布特征的重要参数，如果区段煤柱宽度同时满足基本顶断裂线因素和支承强度因素，则在深井、充填工作面、沿空开采的复杂条件下，区段煤柱能够形成较为稳定的支撑体结构，并决定着关键层运动状态及其覆岩结构分布特征。
(2)充填开采“采空区-区段煤柱-关键层”覆岩结构分布特征，在竖直空间上呈不完全对称的T型，将T型模型的上覆关键层视为弹性岩梁，区段煤柱等效为固定铰支座，以此建立了以关键层岩梁挠曲变形和区段煤柱竖直变形为主要形式的力学简化模型，推导出区段煤柱协调条件下集中力和支承应力表达，提出了区段煤柱整体冲击危险的判据。
(3)深部沿空开采超高水充填工作面的区段煤柱设计需要同时考虑区段煤柱防冲和充填体保水两方面因素，综合两方面因素确定的区段煤柱宽度Dq＞max[DC，DS]。
(4)将研究成果运用于开采实践，理论确定区段煤柱宽度为10m，通过开采过程的微震和矿压观测结果分析，区段煤柱和充填体相对稳定，达到了区段煤柱防冲和充填体保水的双重目的，进一步佐证了研究的合理性。
应当理解本发明所述的例子和实施方式仅表示了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度的确定方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、满足超高水充填材料保水的区段煤柱宽度DS的确定
A1)确定工作面基本顶断裂线位置距区段煤柱边缘的距离ρ
ρ的计算公式如式(1)所示：
式(1)中，
k表示Winkler地基系数，E0I0表示工作面基本顶岩梁结构抗弯刚度，M0、Q0、N0分别表示区段煤柱边缘位置所对应工作面基本顶岩梁结构弯曲的截面弯矩、剪力和轴力；
A2)确定DS
DS满足DS≥2ρ；
B、满足合理防冲的区段煤柱宽度Dc的确定
B1)确定区段煤柱综合支承强度R
R的计算公式如式(2)所示：
式(2)中，D表示防冲区段煤柱宽度，σC表示工作面煤层单轴抗压强度，
表示
的最大值，
表示
的最小值；
B2)确定区段煤柱受到的静态支承应力σz
σz的计算公式如式(3)所示：
设工作面关键层距工作面煤层高度为h，式(3)中，γ为工作面煤层至地表所有岩层的平均容重，α表示工作面煤层至地表所有岩层的综合破裂移动角，S＝(hcosα+D)h，Fs表示防冲区段煤柱受到的支承集中力，
A＝D+0.5(L0+l0)，q表示工作面关键层在其梁长度方向受到的均布载荷，L0、l0表示防冲区段煤柱两侧采空区的宽度，L、l表示防冲区段煤柱两侧采空区上方关键层底部悬露边缘尺寸，且满足L＝L0-2hcosα、l＝l0-2hcosα；
B3)确定区段煤柱失稳判据
定义IC为区段煤柱整体稳定性指数，IC的计算公式如式(4)所示：
IC＝σz/R 式(4)；
式(4)中，当IC＜1.0，区段煤柱保持整体稳定，当1.0≤IC＜1.2，区段煤柱整体弱冲击危险性，当1.2≤IC＜1.5，区段煤柱整体中等冲击危险性，当1.5≤IC，区段煤柱整体强冲击危险性；
B4)确定Dc
IC取极限值1.0时，反推得到的D值记做D1.0，则Dc满足Dc＞D1.0；
C、深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度Dq的确定
Dq满足Dq＞max[DC，DS]。
2.如权利要求1所述的深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度的确定方法，其特征在于：ρ＝2～9m。
3.如权利要求1或2所述的深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度的确定方法，其特征在于：IC取值0.5时，反推得到的D值记做D0.5，则DC满足DC≤D0.5。
4.如权利要求1或2所述的深井冲击煤层充填工作面区段煤柱宽度的确定方法，其特征在于：设置宽度富余量，Dc满足Dc＞D1.0+宽度富余量。
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