大斷面綜放沿空巷道合理煤柱寬度的確定

董良鉆

(山西焦煤霍州煤電呂臨能化有限公司，山西 臨縣 033200)

1 前言

采煤礦業(yè)正朝向機械化、自動化、智能化的開采方向發(fā)展，綜合性、集約型煤礦的數(shù)量越來越多，由此，大型綜放開采成為井下工作面的主流。但這種開采方式在采出大量煤礦資源的同時，也帶來了相鄰巷道斷面變形幅度大、開采環(huán)境惡劣的負面影響，出現(xiàn)了山體變形大、開采影響劇烈化現(xiàn)象?，F(xiàn)階段，各礦區(qū)通過留設20～50m不等寬煤柱支護維護沿空巷道，雖然暫時緩解了工作面和巷道所受的影響，但不合理的煤柱寬度浪費了資源，不合理的布置會造成巷道受力不均，進而出現(xiàn)冒頂、垮幫和底鼓現(xiàn)象，使開采工作陷入更加復雜的條件。煤柱寬度合理化對于提高煤炭資源回收率、保證沿空巷道穩(wěn)定以及實現(xiàn)綜合開采高產(chǎn)高效率意義重大。前人根據(jù)不同的地質條件、開采方式和支護水平對綜放區(qū)煤柱的應力情況和合理寬度進行了深入探索。但龐龐塔煤礦9- 700工作面具有其獨特地質條件，需要在現(xiàn)場監(jiān)測的基礎上，結合理論分析成果進行計算數(shù)值模擬，并考慮沿空巷道的變形過程，分析其側頂板下沉嚴重、冒漏、腰線偏離等實際情況才能確定煤柱合理寬度。因此，此研究將以具體綜放沿空巷道為對象，確定煤柱寬度合理范圍，為支護和避免變形提供有價值的數(shù)據(jù)參考。

2 工程背景

以龐龐塔煤礦9- 700工作面工程地質條件為背景，根據(jù)實測情況分析沿空巷道的煤組設置，龐龐塔煤礦9- 700工作面所處的9號煤層屬于典型的穩(wěn)定厚煤層，傾角在5°～14°，煤層厚度在5.12～14.34m，平均厚度為12.4m。煤層的偽頂屬于炭質泥巖，平均厚度為50mm,易離層垮落；煤層的直接頂屬于泥灰?guī)r，平均厚度為6.7m，具有比較強的硬度，不易冒落；巷道底板也屬于炭質泥巖，平均厚度為2.01m。采面走向長度約為2 355m，傾斜長度約為233m,采用綜放采煤，采煤高度為2.3m,放煤高度為8.9m。

3 合理煤柱尺寸的確定

巷道煤柱可分擔巷道承受載荷，其主要受力來自煤柱上覆巖層，單側幫、雙側幫采空區(qū)轉移到煤柱上的負荷。

(1)煤柱上覆巖層的總載荷：

P=[(B+D)H-(D2cotδ)/4]γ

式中：B——煤柱寬度；

D——采空區(qū)寬度；

H——巷道埋深；

δ——采空區(qū)上覆巖層垮落角；

γ——上覆巖層平均體積力。

(2)煤柱單位面積上的平均載荷即平均應力：

σ=P/B

式中：B——煤柱寬度；

P——煤柱上覆巖層的總載荷。

(3)煤柱寬度必須保證煤柱的極限載荷σ不超過極限強度R，其中R為：

R=0.778+0.222B/h

式中：B——煤柱寬度；

h——煤柱高度。

開采巷道煤柱需要承受的載荷因煤柱的不同位置而不同。采空區(qū)上覆巖層跨落角、采空區(qū)寬度使得煤柱邊緣部分需要承受較大的力，但煤柱邊緣范圍內(nèi)的煤體抗壓強能力比較差，會出現(xiàn)不同程度的切刀損壞現(xiàn)象?；夭上锏姥孛褐膬蓚确謩e形成兩個塑性變形區(qū)，如果兩側形成的塑性變形區(qū)寬度超過煤柱寬度，就會超過煤柱所能承受的負載，進而出現(xiàn)崩塌情況。

針對龐龐塔9- 700工作面采用上述公式的載荷估算法，代入?yún)?shù)值D=200m，H=400m，h=3.5m，煤的單軸抗壓強度為11MPa，采空區(qū)上覆蓋層垮落角為30°，上覆巖層平均體積力為24kN/m3。計算得B=17.9m。又根據(jù)極限平衡理論，B為19.6m。綜合以上分析計算，護巷煤柱合理寬度為20m。

4 數(shù)值模擬分析

采用數(shù)值模擬軟件FLAC 3D運用莫爾—庫倫(Mohr- Coulomb)屈服準則分析不同煤柱寬度對巖體變形、判斷巖體是否遭到破壞的影響并建立數(shù)值模型。建模所取巖體力學參數(shù)見表1。

表1 煤巖體力學參數(shù)

模擬結果顯示：當煤柱寬度小于10m時，兩個塑性變形區(qū)相通，分布在整個煤柱上，使得煤柱失去彈性核區(qū)，從而難以承受外界應力，嚴重破壞，失去平衡；當煤柱寬度從10m增大時，兩塑性變形區(qū)相通的范圍逐漸縮小，對煤柱的破壞也減緩；當煤柱寬度達到20m時，采空區(qū)側的塑性變形區(qū)寬度縮小到9m,巷道側的塑性變形區(qū)寬度縮小到3m,煤柱出現(xiàn)了彈性核區(qū)，寬度是8m，并可以保持穩(wěn)定狀態(tài)，不被破壞；當煤柱寬度超過20m,繼續(xù)擴大至30m時，煤柱的塑性保持穩(wěn)定，彈性區(qū)寬度進一步擴大。而30m也是煤柱寬度的臨界值，如果繼續(xù)擴大，煤柱會更穩(wěn)定，但浪費了煤礦資源，沒有實際應用價值。

由圖1可以看出，煤柱寬度與變形量的總體上趨勢是當煤柱寬度增大時變形量逐漸減小。當煤柱寬度大于20m時，圍巖的變形量隨著煤柱寬度的增大而緩慢減小，變化量越來越小。不同煤柱寬度作用于兩幫的變形量，沿走向工作面附近巷道兩幫水平位移較大，隨著工作距離增大，變形量減少。煤柱寬度從3m增至7m時，巷道兩幫的變形量逐漸減小；煤柱寬度從10m增至20m時，巷道兩幫水平變形量也逐漸減小。煤柱寬度從7m到10m，變形量卻增大很明顯。這說明20m是煤柱寬度的一個臨界點，在煤柱寬度大于20m后煤柱寬度再增大對巷道變形影響較小，而煤柱寬度小于20m時巷道變形量隨著煤柱寬度增加急劇減小。

圖1 不同煤柱寬度下巷道圍巖變形量

隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)垂直應力峰值在逐漸增大，兩幫垂直應力峰值逐漸減小，說明煤柱寬度增大可以使煤柱承載能力逐步提高，兩幫承受的應力有向煤柱轉移的趨勢。當煤柱寬度達到一定值時，煤柱內(nèi)和兩幫承受的應力峰值大體相等，此時，煤柱及兩幫都承受較大的應力，而當煤柱寬度進一步加大時，煤柱起了主要承力作用。當煤柱寬度較小時，煤柱內(nèi)應力不高，巷道周邊的最大位移區(qū)在煤柱的兩幫，煤柱的水平位移遠遠大于其他寬度時的位移，會導致煤柱的破壞，甚至完全崩塌，失去支撐功能，無法確保巷道的穩(wěn)定。當煤柱寬度稍微大于此寬度時，兩側的塑性區(qū)完全貫通，整個煤柱都會被破壞，也無法形成彈性核區(qū)，在垂直應力分布上達到了單峰狀態(tài)，煤柱不會完全被壓垮，此時若能及時采取適當措施，維護煤柱的穩(wěn)定，煤柱仍能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。當煤柱寬度為中等時，一方面煤柱內(nèi)的塑性區(qū)已經(jīng)貫通，煤柱內(nèi)巖體全部塑性屈服，煤柱中間不能形成彈性核區(qū)，另一方面，煤柱內(nèi)存在較大應力峰值，不能轉移，使得煤柱受到很大的壓力，對穩(wěn)定性而言是很不利的。當煤柱寬度較大時，煤柱垂直應力呈雙峰分布，煤柱兩側均有塑性區(qū)，兩峰間存在彈性核區(qū)，這樣可以使煤柱足以支撐保持穩(wěn)定，但煤炭損失比較大，造成資源難以回收。所以考慮安全因素和經(jīng)濟因素，建議煤柱寬度在20m左右。

5 結論

根據(jù)現(xiàn)場實測和計算機數(shù)據(jù)模擬的結果，認為合理煤柱寬度為20m，能夠保證窄煤柱沿空巷道圍巖穩(wěn)定，且煤柱寬度為20m時實際工程情況良好。經(jīng)數(shù)據(jù)分析表明，本文中方法確定的煤柱尺寸合理、可靠，為龐龐塔礦的綜放沿空巷道的合理布置和煤柱寬度等參數(shù)提供了合理的科學依據(jù)。在一定范圍內(nèi)，中等寬度的煤柱護巷，巷道位移量不隨煤柱寬度增大而減小，巷道穩(wěn)定性與寬度不完全成正比關系，并非煤柱越寬巷道越穩(wěn)定。煤柱寬度大的煤柱護巷，圍巖位移明顯變小，但是綜放型開采煤柱損失大，對于提高出采率不利。

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