急傾斜煤層巷道放頂煤開采合理區(qū)段煤柱高度的研究

宋 杰

（長治職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046000）

急傾斜煤層巷道放頂煤是指：一個采區(qū)內(nèi)沿傾斜方向按照一定標(biāo)高（15~30 m）劃分若干個區(qū)段，在每個區(qū)段的下部布置放煤巷道（運(yùn)巷），上部布置回風(fēng)巷道；在放煤巷道內(nèi)均勻布置放煤小眼，采用爆破等手段使頂煤放出[1]?，F(xiàn)場實(shí)踐表明，巷道受動壓影響的強(qiáng)弱，與巷道保護(hù)煤柱高度緊密相關(guān)。因此，護(hù)巷煤柱合理高度的確定，對緩沖上區(qū)段矸石沖擊巷道、維護(hù)放煤巷道的穩(wěn)定、改善開采效果有著重要意義。目前國內(nèi)外有關(guān)區(qū)段煤柱高度研究大多是零散的、不系統(tǒng)的[2-3]。本文以大漢溝急傾斜煤層巷道放頂煤區(qū)段煤柱為對象，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合，研究了頂板應(yīng)力分布特征、合理巷道位置，確定了煤柱合理高度，以供安全生產(chǎn)參考。

1 合理區(qū)段煤柱高度的理論分析

隨著頂煤垮落頂板應(yīng)力重新分布，且不斷彎曲下沉；假設(shè)破碎后的頂煤力學(xué)性質(zhì)，近似為弱彈性體，則其較完整的煤層頂板可看作兩端為彈性基礎(chǔ)的梁。由此，可得到頂煤垮落后采場力學(xué)模型[4]，見圖1。以工作面回采方向?yàn)閤軸正方向，在x＞0一側(cè)，梁一端是實(shí)體煤；在x＜0一側(cè)，梁與松散頂煤連接，梁受到的上部反力呈連續(xù)分布。據(jù)文獻(xiàn)[4]，此時(shí)頂板撓曲線方程為：

式 中 ：C1、C2為積分常數(shù)；α為阻力系數(shù)，α=為煤體Winkle地基系數(shù)；q0為頂板均布載荷，q0=Hγcosα。

松散頂煤上分布的壓力pd為：

當(dāng)x=0時(shí)，pd有最小值當(dāng) x→∞時(shí)，pd=q0.由此分析可知，在x=0處，作用于頂板上的壓力發(fā)生突變，實(shí)體煤的壓力出現(xiàn)應(yīng)力集中達(dá)到峰值，而作用于松散煤體的壓力為0[5]，頂煤垮落后頂板壓力分布規(guī)律，見圖2。

圖1 頂煤垮落后頂板力學(xué)模型

圖2 頂煤垮落后頂板壓力分布規(guī)律

2 煤柱高度的確定依據(jù)

從圖2知，頂煤垮落后，實(shí)體煤頂板上形成呈指數(shù)分布的應(yīng)力集中區(qū)。風(fēng)巷要避開應(yīng)力集中對其影響，有兩個位置可選擇。位置1，風(fēng)巷上方不留煤柱，巷道處于零應(yīng)力區(qū)，但巷道一幫為采空區(qū)，支架架設(shè)困難且易失穩(wěn)，易受到采空區(qū)滾落大塊煤矸的沖擊。位置2，風(fēng)巷避開了高應(yīng)力區(qū)的影響，并由上方煤柱的保護(hù)不會出現(xiàn)矸石沖擊狀況。

據(jù)式（2），實(shí)體煤頂板上的應(yīng)力在煤體屬性分界處達(dá)到最大，往x軸正方向逐漸衰減。再據(jù)計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)際觀測，應(yīng)力集中區(qū)高度值不小于3~5 m，若將風(fēng)巷布置在實(shí)體煤內(nèi)，巷道維護(hù)狀況可能得到一些改善，但卻浪費(fèi)很多煤炭資源。因此，位置2不可取。

若取位置1，巷道一側(cè)必然留設(shè)煤柱。若留1~2 m高的窄煤柱，按理論分析巷道處于應(yīng)力集中區(qū)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于小煤柱先后受到巷道掘進(jìn)、放煤小眼掘進(jìn)和初采爆破的影響，初采后整個煤柱已處于塑性破碎狀態(tài)，承載能力很小。因此，初采后應(yīng)力集中必然將向巷道底板下方的實(shí)體煤轉(zhuǎn)移，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)。雖然小煤柱塑性狀態(tài)下承載能力很小，卻能對沖擊巷道的大塊煤矸起到緩沖或墊層的作用。由此分析，煤柱高度應(yīng)在1~2 m左右；如煤層特別疏松尺寸可適當(dāng)加大，但不能讓煤柱起承載作用。

3 合理區(qū)段煤柱高度的數(shù)值模擬

采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模型長×寬×高=38 m×30 m×22.5 m；開掘風(fēng)巷（上巷）30 m，風(fēng)巷斷面矩形，2 000 mm×2 500 mm。模型劃分99 620個單元，105 703個結(jié)點(diǎn)。模擬煤層平均厚度6 m，煤層傾角45°，工作面頂板14.0 m，底板15.3 m，上覆巖層重力按均布載荷施加在模型的上部邊界。模型的四個側(cè)面為位移邊界，限制模型的水平位移，模型底部為固定邊界，限制水平位移和垂直位移。

圖3為煤柱高度2.0 m時(shí)的巷道圍巖塑性破壞特征、垂直應(yīng)力、剪切應(yīng)力、水平應(yīng)力分布云圖。從圖看出，上區(qū)段回采完后，采場頂板巖體以剪切破壞為主。圖3-a中回風(fēng)順槽兩幫塑性破壞區(qū)深度約3.5 m，順槽頂板煤柱完全破壞，但采用合理支護(hù)時(shí)，煤柱仍能發(fā)揮擋矸作用。圖3-b垂直應(yīng)力顯示，巷道頂板中部垂直應(yīng)力較小，說明煤柱已發(fā)生塑性破壞，依靠自身結(jié)構(gòu)已不能起到支撐冒落矸石的作用，為保證下區(qū)段工作面安全，必須采取掛網(wǎng)等措施。圖3-c剪切應(yīng)力分布云圖，剪切應(yīng)力最大值位于煤層頂板巖層當(dāng)中，回風(fēng)順槽圍巖剪切應(yīng)力較小約2.0 MPa左右。圖3-d水平應(yīng)力顯示，回風(fēng)順槽圍巖水平應(yīng)力較小，說明位于工作面采動應(yīng)力降低區(qū)，在此布置巷道，利于支護(hù)和維護(hù)。

圖3 2.0 m區(qū)段煤柱巷道破壞情況

4 結(jié)束語

1）較完整的煤層頂板可看作兩端為彈性基礎(chǔ)的梁，巷道上方留設(shè)1~2 m區(qū)段煤柱可對沖擊巷道的大塊煤矸起到緩沖或墊層的作用。2）區(qū)段煤柱高度為2 m時(shí)巷道能保持穩(wěn)定，該煤柱高度是合理的。為保證下區(qū)段工作面安全，必須加強(qiáng)頂板煤柱的整體性，采取掛網(wǎng)等措施。

[1]李東明，趙伏軍.急傾斜煤層巷道放頂煤開采放煤巷道的布置[J].煤炭技術(shù)，2007，26(6)：51-54.

[2]朱川曲，繆協(xié)興.急傾斜煤層頂煤可放性評價(jià)模型及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2002，27(2)：134-138.

[3]劉年平，王宏圖，袁志剛.急傾斜煤層頂煤可放性識別的支持向量機(jī)模型[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(11)：1 859-1 862.

[4]楊虎雄.急傾斜煤層巷道放頂煤開采合理工藝參數(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué),2013.

[5]王衛(wèi)軍,朱川曲,謝東海,等.急傾斜煤層巷道放頂煤理論與實(shí)踐[M].北京:煤炭工業(yè)出版,2001.