近距離煤層開(kāi)采區(qū)段煤柱留設(shè)研究

文/韓玉林

現(xiàn)代礦壓理論認(rèn)為，應(yīng)力集中程度對(duì)巷道的礦壓顯現(xiàn)程度起決定作用，將巷道布置在煤柱下方的低應(yīng)力區(qū)是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制巷道穩(wěn)定性的根本途徑，然而巷道布置受多方面因素影響，并不都能將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)，這就需要研究近距離煤層煤柱在底板中的分布規(guī)律和影響范圍，對(duì)下部煤層回采巷道的合理位置進(jìn)行探討，提出近距離下部煤層回采巷道的合理位置確定方法。

一、煤柱穩(wěn)定性影響因素

1.煤體性質(zhì)

在含節(jié)理弱面的煤柱穩(wěn)定性和煤柱設(shè)計(jì)中，當(dāng)抗剪強(qiáng)度不足時(shí)，應(yīng)采取調(diào)整煤柱位置、加大煤柱寬度和進(jìn)行充填等措施，提高煤柱的承載能力和穩(wěn)定性。由于煤體中結(jié)構(gòu)面的存在，使煤體與煤塊的力學(xué)特性之間有很大的差異，結(jié)構(gòu)面對(duì)煤柱強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為造成煤柱強(qiáng)度的各向異性和煤柱強(qiáng)度的降低。

2.圍巖對(duì)煤柱的影響

頂?shù)装鍖?duì)煤柱具有端面摩擦效應(yīng)，在相對(duì)煤柱較為堅(jiān)硬的頂?shù)装鍡l件下，它起到加強(qiáng)煤柱穩(wěn)定的作用。但是相對(duì)松軟的頂?shù)装鍡l件下卻會(huì)大幅度地削弱煤柱強(qiáng)度和穩(wěn)定性。因此，在松軟頂?shù)装鍡l件下的煤柱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮因頂?shù)装鍖?duì)煤柱的摩擦作用產(chǎn)生拉應(yīng)力而增加的煤柱屈服區(qū)寬度。圖1為煤柱頂?shù)装鍘r層應(yīng)力分布情況。

Ⅰ—?dú)堄嗥茐膮^(qū)；Ⅱ—承載軟化區(qū)；Ⅲ—局部破壞區(qū)；Ⅳ—彈性區(qū)；Ⅴ—原始應(yīng)力區(qū)

3.寬高比的影響

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，煤柱強(qiáng)度和壓縮變形變化的總趨勢(shì)是隨煤柱寬高比增大而增大的。同時(shí)，煤層傾角對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響不容忽視，隨煤層傾角的增大，垂直于煤層層面方向的彎曲量減小，滑移量增加。但由于堅(jiān)硬程度很難定量確定且變化很大，并且圍巖特性、煤層與煤樣的相對(duì)位置關(guān)系、煤柱與煤柱相對(duì)位置關(guān)系、煤柱強(qiáng)度等諸多因素都影響煤柱載荷的大小，所以煤柱設(shè)計(jì)應(yīng)基于全部載荷設(shè)計(jì)，同時(shí)盡可能考慮各主要因素的影響。

二、煤柱應(yīng)力傳遞數(shù)值計(jì)算

1.模型建立

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，將三維計(jì)算模型的長(zhǎng)×寬×高設(shè)置為300m×100m×120m。共劃分出120000個(gè)長(zhǎng)方體單元和1385000個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，并施加隨深度變化的水平壓應(yīng)力，模型的底面限制水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)，模型的上部施加上覆巖層的自重應(yīng)力。研究范圍內(nèi)的巖層采用莫爾庫(kù)侖模型。計(jì)算模型單元的三維網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

2.單一煤層模擬結(jié)果分析

圖3是工作面推過(guò)30m后，不同煤柱寬度條件下主應(yīng)力分布。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，大煤柱雖然穩(wěn)定，但同時(shí)會(huì)在底板中形成較大的應(yīng)力集中，在近距離煤層群開(kāi)采中，大煤柱不利于下部煤層的巷道布置。所以，在布置下煤層回采巷道時(shí)，應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力集中，采用內(nèi)錯(cuò)式布置。

在單一煤層回采中，煤柱的寬度對(duì)巷道圍巖變形量和穩(wěn)定性的影響很大，煤柱較小時(shí)，對(duì)控制巷道圍巖變形和提高穩(wěn)定性有利。但煤柱過(guò)小，圍巖向巷道內(nèi)的位移量會(huì)增大，因?yàn)槊褐^小時(shí)，在采動(dòng)影響下，圍巖已經(jīng)發(fā)生松動(dòng)破壞，塑性變形量大，極為破碎，應(yīng)力低，圍巖自身強(qiáng)度和承載能力很小。而煤柱寬度達(dá)到9m時(shí)，雖然該位置圍巖的應(yīng)力較大，但由于處于應(yīng)力集中區(qū)，巷道圍巖變形量也大，也不利于圍巖的穩(wěn)定。這說(shuō)明必須有一個(gè)合理的煤柱寬度變化范圍，才能保證巷道圍巖穩(wěn)定又具有較高的強(qiáng)度和自身承載能力。同時(shí)，如采用小煤柱布置上煤層，在回采近距離煤層下部巷道時(shí)為避免應(yīng)力集中的發(fā)生，下煤層煤柱可以采用內(nèi)錯(cuò)式、外錯(cuò)式和重疊布置。

3.近距離煤層模擬結(jié)果

煤柱均布載荷向底板煤巖層傳遞的各應(yīng)力影響范圍和分布形式有所不同，垂直應(yīng)力影響范圍較大，而水平和剪應(yīng)力的影響范圍相對(duì)較淺，各應(yīng)力均按一定角度擴(kuò)散。在底板不同深度水平截面上，距煤柱均布載荷作用點(diǎn)愈近，應(yīng)力分布范圍愈小，且影響程度愈大。對(duì)新柳煤礦10#和11#近距離煤層開(kāi)采，區(qū)段煤柱不同留設(shè)方式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，10#采用留設(shè)20m煤柱，當(dāng)10#煤采完后，會(huì)在底板形成應(yīng)力集中，對(duì)底板影響范圍很大。將11#煤層巷道布置在10#煤采空區(qū)下，即布置在上煤層回采完形成的減壓區(qū)。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤柱右錯(cuò)20m時(shí)，下煤柱在上煤柱地板壓力集中區(qū)，下煤柱的穩(wěn)定性受上煤柱的影響，下煤柱本身也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。這很容易造成下層煤巷道維護(hù)難度加大。當(dāng)內(nèi)錯(cuò)距離增大到40m時(shí)，上煤柱對(duì)下煤柱影響范圍很小，基本可以保證回采巷道的穩(wěn)定。

外錯(cuò)布置不同于內(nèi)錯(cuò)布置，而是將下煤層巷道布置在上煤層煤柱外側(cè)。結(jié)果顯示，當(dāng)下煤層煤柱外錯(cuò)布置時(shí)，下煤層煤柱布置在上煤層的應(yīng)力升高區(qū)，這將會(huì)使下煤層煤柱受上煤柱應(yīng)力集中的影響，不利于下煤柱的穩(wěn)定，加大了巷道的維護(hù)難度；而且上煤柱對(duì)下煤柱的影響存在不均衡性，在靠近上煤柱側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的變形，這對(duì)于巷道支護(hù)將有指導(dǎo)意義，即加強(qiáng)靠近上煤柱幫的支護(hù)強(qiáng)度。

當(dāng)下層煤煤柱布置在上煤柱下面時(shí)，兩煤柱應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生疊加，應(yīng)力集中程度大大增加，不利于巷道的穩(wěn)定。應(yīng)力集中程度還要受到煤柱寬度的影響，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中很少將巷道重疊布置，目的是為了避免應(yīng)力集中，增加巷道維護(hù)難度。

三、近距離煤層煤柱布置

根據(jù)煤柱塑性區(qū)寬度實(shí)例計(jì)算結(jié)果，新柳礦極近距離煤層巷道布置形式如下：

1.當(dāng)上層煤柱寬度小于6m時(shí)，可采用外錯(cuò)式、內(nèi)錯(cuò)式和重疊式巷道布置形式；當(dāng)上部煤柱寬度在6m～9m范圍內(nèi)，可以采用內(nèi)錯(cuò)式布置形式或重疊式布置形式；當(dāng)上部煤層的煤柱寬度大于9m時(shí)，宜采用內(nèi)錯(cuò)式布置形式。

2.當(dāng)上部煤柱是錨桿支護(hù)巷道，則在計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮錨桿的作用因素。經(jīng)計(jì)算，單一煤層時(shí)，煤柱最小尺寸在6.6m，所以當(dāng)煤柱小于6.6m時(shí)，下層煤布置巷道時(shí)可以考慮內(nèi)錯(cuò)式、外錯(cuò)式或重疊形式布置；當(dāng)上部煤層煤柱寬度在6.6～9.9m時(shí)，宜采用內(nèi)錯(cuò)式布置形式或重疊式布置形式；上部煤層開(kāi)采的煤柱寬度在15m以上，下部煤層開(kāi)采時(shí)巷道內(nèi)錯(cuò)布置為宜。

四、結(jié)論

1.研究結(jié)果表明，煤柱上支承壓力分布是開(kāi)采影響巖層相互作用的結(jié)果，是開(kāi)采引起集中應(yīng)力在煤層與直接頂界面上的直接反映。近距離跨采巷道圍巖位移受開(kāi)采引起的整體位移場(chǎng)影響較大，而不單純決定于煤柱側(cè)支承壓力的作用。

2.煤柱寬度不同，在底板中形成的應(yīng)力集中程度也不同。只有留設(shè)一個(gè)合理的煤柱才能保證巷道圍巖穩(wěn)定又具有較高的強(qiáng)度和自身承載能力。

3.如采用小煤柱布置上煤層，在回采近距離煤層下部巷道時(shí)為避免應(yīng)力集中的發(fā)生，下煤層煤柱可以采用內(nèi)錯(cuò)式、外錯(cuò)式和重疊布置。如果上層煤柱是穩(wěn)定煤柱，下層煤宜采用內(nèi)錯(cuò)式布置。