軟煤層大采高工作面巷道煤柱尺寸優(yōu)化

鄭兵亮

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)力建學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.山西晉煤集團(tuán)安監(jiān)局，山西省晉城市，048006)

留設(shè)煤柱一直是煤礦的主要護(hù)巷方法。因煤柱周?chē)荛_(kāi)挖影響，其強(qiáng)度較低，破裂區(qū)的范圍小則數(shù)米，大則十余米，尤其是頂?shù)装搴兔嘿|(zhì)松軟的煤層，隨著開(kāi)采深度的增加，破裂區(qū)的范圍將顯著增大，煤柱破裂對(duì)降低煤柱的有效支承面積影響很大，減少或避免破碎區(qū)的范圍是改善煤柱護(hù)巷的重要措施。煤柱寬度較大時(shí)，煤柱有效支承面積與煤柱支承面積的比值較高，煤柱的穩(wěn)定性較好。但煤柱寬度較大，占用資源量也較多，會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)。通過(guò)煤柱穩(wěn)定性計(jì)算、應(yīng)力實(shí)測(cè)以及有效支撐面積分析，對(duì)所留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在確保巷道回采安全的條件下，盡量減小煤柱的留設(shè)寬度，合理優(yōu)化煤柱尺寸，使煤柱寬度既合理又可靠，既能保證安全，又可減少煤柱損失，提高煤炭資源的回收。

1 工程概況

長(zhǎng)平礦4305綜采工作面東部為正在回采的4303工作面，南部為第二回風(fēng)大巷，北部為四盤(pán)區(qū)北翼泄水巷，西部尚未布置工作面。4305綜采工作面走向長(zhǎng)1009m，傾斜長(zhǎng)219m，為大采高綜采工作面。煤層總厚度為5.87m，煤層傾角2°～16°。工作面為四巷布置方式，43055巷用于進(jìn)風(fēng)、排水，43051巷用于進(jìn)風(fēng)、運(yùn)煤、供水、排水，43053巷用于進(jìn)風(fēng)、運(yùn)料、供電、供液、供水、排水，43052巷用于回風(fēng)、排水。工作面巷道、切眼均沿煤層底板掘進(jìn)。43051巷道與43052巷道之間的實(shí)際煤柱尺寸為64m，43053巷道與43055巷道之間的煤柱尺寸為15m。

2 工作面煤柱保持穩(wěn)定性的合理寬度

2.1 煤柱寬度理論計(jì)算

假設(shè)采空區(qū)周?chē)拿褐幱趶椥宰冃螤顟B(tài)，則煤柱的垂直正應(yīng)力隨著與采空區(qū)邊緣之間距離的增大按負(fù)指數(shù)曲線衰減。在高應(yīng)力的作用下，從煤柱邊緣到深部都會(huì)出現(xiàn)破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)。破裂區(qū)內(nèi)的圍巖已發(fā)生明顯位移，圍巖強(qiáng)度顯著削弱，只能承受低于原巖壓力的載荷，故也稱(chēng)卸載區(qū)或應(yīng)力降低區(qū)。塑性區(qū) (靠煤體深部)承受著高于原巖壓力的載荷。它與應(yīng)力升高的彈性區(qū)共同稱(chēng)為承載區(qū)，也稱(chēng)應(yīng)力增高區(qū)。塑性區(qū)與彈性區(qū)的交界處是垂直應(yīng)力最高的地方。煤柱的承載能力隨著遠(yuǎn)離煤柱邊緣而明顯增長(zhǎng)。在距離煤柱邊緣一定寬度內(nèi)存在著煤柱的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態(tài)。運(yùn)用巖體的極限平衡理論，可得到塑性區(qū)內(nèi)任意處的垂直應(yīng)力、應(yīng)力降低區(qū)的寬度以及塑性區(qū)寬度。支承壓力峰值與煤柱邊緣之間的距離方程式為:

式中:X0——支承壓力峰值與煤柱邊緣之間的距離，也就是回采空間在護(hù)巷煤柱一側(cè)形成的塑性變形區(qū)寬度，m；

K——應(yīng)力集中系數(shù)，一般為2.5～3，此處取3；

γ——上覆巖層的平均體積力，kN／m3

H——煤層埋深，取620m；

P1——支護(hù)對(duì)煤幫的阻力，取0MPa；

M——煤層開(kāi)采厚度，取5.8m；

c——煤體的粘聚力，取0.28MPa；

φ——煤體的內(nèi)摩擦角，取59°；

f——煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)，取0.2；

ξ——三軸應(yīng)力系數(shù)，取7。

將各數(shù)據(jù)代入式 (1)得支承壓力峰值與煤柱邊緣之間的距離X0為5.6m。

2.2 煤柱保持穩(wěn)定性的條件

由于在巷道開(kāi)挖后會(huì)形成自己的塑性區(qū)，因此采動(dòng)后護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，即在煤柱中央保持一定寬度的彈性核，彈性核的寬度應(yīng)不小于煤層開(kāi)采厚度的2倍。故煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度B為:

式中:B——煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度，m；

R——巷道在護(hù)巷煤柱另一側(cè)形成的塑性變形區(qū)寬度，由于煤柱在承受頂板壓力后，在煤柱兩側(cè)形成的塑性變形區(qū)寬度基本相同，因此，R與X0取相同值。

將已知數(shù)據(jù)代入式 (3)，計(jì)算煤柱的寬度B為22.8m，考慮參數(shù)選取存在的誤差，取1.5系數(shù)校核計(jì)算得煤柱最小寬度34.2m。

3 4305工作面護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性實(shí)測(cè)分析

3.1 煤柱內(nèi)應(yīng)力觀測(cè)方案

監(jiān)測(cè)儀器為天地科技股份有限公司生產(chǎn)的KSE-Ⅲ鋼弦測(cè)力儀。43051巷與43052巷之間64m寬煤柱測(cè)站布置見(jiàn)圖1，測(cè)站布置在距離開(kāi)切眼120m處的第三聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，1?！?＃探頭距離43051巷西幫分別為6m、14m、22m、30m、38m、46m、54m、62m，探頭進(jìn)入煤體的深度為8～10m。數(shù)據(jù)采集均采用系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行，每隔一周采集一次。各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力沿工作面推進(jìn)方向變化情況見(jiàn)圖2。

圖1 43051巷與43052巷之間煤柱測(cè)站布置

圖2 各測(cè)點(diǎn)壓力沿工作面推進(jìn)方向變化曲線

3.2 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

從圖2中可以看出，隨著工作面向前推進(jìn)，距工作面煤壁距離越近，煤柱內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力有不斷升高的趨勢(shì)。初期檢測(cè)到的4＃測(cè)點(diǎn)和6＃測(cè)點(diǎn)煤柱應(yīng)力數(shù)值較大，分別為9.39MPa和8.91MPa；8＃測(cè)點(diǎn)數(shù)值較低僅為2.89MPa；1?！?＃、5＃、7＃測(cè)點(diǎn)數(shù)值基本在4.46～7.23MPa之間。其中1＃測(cè)點(diǎn)數(shù)值較2＃、3＃測(cè)點(diǎn)數(shù)值大，其主要原因是1＃測(cè)點(diǎn)位置靠近43051巷，該巷西幫錨桿支護(hù)強(qiáng)度較大，而且在靠近西幫1m范圍內(nèi)采用單體支柱加頂梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，因此使得1＃測(cè)點(diǎn)即使靠近巷幫也能夠承受較大載荷。與1＃測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的在煤柱另一側(cè)的8＃測(cè)點(diǎn)，其初值僅為2.89MPa，這是因?yàn)樵擖c(diǎn)距離43052巷道僅為2m，該處圍巖已經(jīng)進(jìn)入破裂區(qū)，承載能力下降。從2＃測(cè)點(diǎn)至4＃測(cè)點(diǎn)，隨著距離43051巷道西幫漸遠(yuǎn)，應(yīng)力值不斷增加；同樣從8＃測(cè)點(diǎn)至6＃測(cè)點(diǎn)，隨著距離43052巷東幫距離的漸遠(yuǎn)，應(yīng)力值也不斷增加。

在超前工作面120m范圍內(nèi)，煤柱內(nèi)的應(yīng)力隨著工作面的推進(jìn)而不斷增大，其中在距離工作面80～120m范圍內(nèi)，煤柱內(nèi)應(yīng)力增加量較小，屬于微弱影響區(qū)。在小于40m范圍內(nèi)，4＃測(cè)點(diǎn)和7＃測(cè)點(diǎn)增加較大，說(shuō)明超前工作面40m范圍內(nèi)已經(jīng)受采動(dòng)超前支承壓力影響。在工作面距離測(cè)點(diǎn)32m時(shí)，1＃測(cè)點(diǎn)應(yīng)力突然降低，說(shuō)明此時(shí)此處煤體已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)，煤柱應(yīng)力開(kāi)始向煤柱深部轉(zhuǎn)移。2＃、3＃、5＃鉆孔應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)值基本沒(méi)有太大變化，一直處于緩慢增加狀態(tài)。

4 巷道煤柱尺寸留設(shè)優(yōu)化

合理留設(shè)煤柱就是要在保證安全的條件下盡量減小煤柱留設(shè)尺寸，以保證煤炭資源盡可能多的回收。4305工作面43051巷和43052巷之間的寬度約64m煤柱護(hù)巷是比較安全的，可以有效降低工作面回采對(duì)43052巷的影響。但煤柱寬度偏大，造成資源浪費(fèi)。因此，有必要對(duì)巷道煤柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)圖2分析可知，隨著距工作面煤壁距離的減小，僅1＃測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了應(yīng)力迅速下降，其余均緩慢增加，說(shuō)明其余各點(diǎn)仍具有一定的承載能力，4＃鉆孔也出現(xiàn)了應(yīng)力峰值，但該處應(yīng)力峰值明顯小于6＃鉆孔處，而5＃鉆孔處應(yīng)力值一直較低，因此可以認(rèn)為受4305工作面采動(dòng)影響而產(chǎn)生的采動(dòng)應(yīng)力并沒(méi)有在煤柱內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中，也沒(méi)有發(fā)生明顯往煤柱深部轉(zhuǎn)移，而是被煤柱整體承載。由6＃鉆孔應(yīng)力峰值可以看出，巷道開(kāi)挖引起的塑性區(qū)范圍較大。由64m煤柱減去6＃鉆孔距43051巷西幫的距離46m，可得塑性區(qū)范圍約為18m。

結(jié)合前文理論計(jì)算采動(dòng)引起的塑性區(qū)范圍5.6m，明顯低于18m，因此以18m作為塑性區(qū)范圍重新計(jì)算煤柱寬度B約為50m，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析，4305工作面煤柱合理尺寸應(yīng)為50m左右。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)留設(shè)煤柱尺寸的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，在4310大采高工作面對(duì)留設(shè)煤柱寬度為50m的巷道圍巖變形情況進(jìn)行觀測(cè)。在43052巷道內(nèi)距工作面切眼200m和300m處分別安設(shè)1＃和2＃測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道兩幫移近量、頂板下沉量、底臌量進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 巷道兩幫移近量與工作面距離關(guān)系

從圖3可以看出，留設(shè)煤柱為50m時(shí)，巷道在超前壓力影響下開(kāi)始位移比較平緩，隨著工作面的推進(jìn)，巷道圍巖變形逐漸強(qiáng)烈，工作面推到測(cè)站附近10m范圍內(nèi)，兩幫最大位移量為350mm，底臌量為300 mm，頂板下沉量控制在110mm左右，圍巖變形均在允許變形范圍內(nèi)，說(shuō)明留設(shè)煤柱寬度為50m時(shí)是比較合理的。

6 結(jié)論

通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究，4305大采高工作面合理煤柱寬度約為50m。采用此寬度既能保證煤柱的穩(wěn)定性，又可提高資源的利用率。以4305工作面為例計(jì)算，工作面長(zhǎng)度為1009.4m，煤厚5.87m，煤柱寬度由64m減少到50m，可多采出煤炭量為12.02萬(wàn)t。以晉城礦區(qū)平均售價(jià)660元／t計(jì)算，可創(chuàng)收7935萬(wàn)元。

[1]謝宗保，范志忠.條帶煤柱穩(wěn)定性及支護(hù)設(shè)計(jì)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008(7)

[2]錢(qián)鳴高.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

[3]張耀榮，高慧，高進(jìn)等.影響護(hù)巷煤柱寬度的因素分析[J].煤，2001(1)

[4]張立亞，鄧喀中.基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多煤層條帶開(kāi)采主控因素分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012(3)

[5]賈光勝，康立軍.綜放開(kāi)采采準(zhǔn)巷道護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2002(1)

[6]余學(xué)玉.開(kāi)采損壞學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2010

[7]何滿潮.中國(guó)煤礦錨桿支護(hù)理論與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社，2004

[8]劉勝志，楊小彬.大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)煤炭，2011(12)

[9]張勇，張江利等.半煤巖巷道圍巖變形破壞分析及支護(hù)技術(shù)研究[J]].中國(guó)煤炭，2012(5)