大斷面綜放工作面巷道煤柱寬度探討

武慧龍

（山西西山煤電集團(tuán)公司 西曲礦，山西 030200）

該礦普遍留設(shè)30 m左右寬煤柱維護(hù)巷道，造成資源浪費(fèi)外，還會(huì)產(chǎn)生安全隱患等問(wèn)題。合理的煤柱寬度對(duì)于提高煤炭資源回收率、保證巷道穩(wěn)定以及實(shí)現(xiàn)綜合開(kāi)采高產(chǎn)高效意義重大。

1 22108工作面基本情況

東曲礦22108工作面煤層較穩(wěn)定，煤層傾角平均15.3°，厚度6.3～13.5 m，平均厚度9.7 m。工作面長(zhǎng)2344 m，傾向長(zhǎng)238 m，采用綜放采煤工藝，采煤高度2.4 m，放頂煤高度9.4 m。

2 煤柱寬度理論計(jì)算

巷道煤柱上所承載的應(yīng)力是上方煤巖層自重所產(chǎn)生的，計(jì)算方法如下：

（1）煤柱上承載的應(yīng)力：

式中：B為寬度；D為開(kāi)采寬度；H為巷道深度；δ為傾斜角，γ為平均體積力。

（2）煤柱單位面積的平均應(yīng)力：

式中：B為煤柱寬度；P為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(guò)極限強(qiáng)度R，其中R為：

式中：B為煤柱寬度；h為煤柱高度。

開(kāi)采區(qū)和巷道煤柱在邊緣上的應(yīng)力相對(duì)于原始煤層上的應(yīng)力可以是呈倍數(shù)的集中，煤柱邊緣抗壓強(qiáng)度低，所以煤柱邊緣就會(huì)收到不同程度的損傷。開(kāi)采空間和煤柱巷道之間有塑性區(qū)，此區(qū)可以變形，當(dāng)煤柱兩側(cè)的這個(gè)塑性區(qū)互相貫通，煤柱就不再穩(wěn)定，就會(huì)出現(xiàn)崩塌等安全問(wèn)題[1]。

針對(duì)東曲礦22108工作面采用上述公式的載荷估算法，代入?yún)?shù)值D=200 m，H=400 m，M=6.25 m，h=3.5 m，煤的單軸抗壓強(qiáng)度為11 MPa，采空區(qū)上覆巖層垮落角為30°，上覆巖層平均體積力為24 kN/m3。代入理論方程式，得B=17.9 m。又根據(jù)極限平衡理論，求得L0為5.3 m，B0為15.91 m，B為19.6 m。 綜合分析，巷道煤柱合理寬度取值20 m。

3 煤柱寬度數(shù)值模擬分析

通過(guò)使用Itasca公司開(kāi)發(fā)的FLAC3D數(shù)值模擬軟件和應(yīng)用莫爾-庫(kù)倫（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則分析不同煤柱寬度對(duì)于巖體變形、判斷巖體是否遭到破壞的影響并建立數(shù)值模型[2]。建模所取巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤礦力學(xué)參數(shù)

圖1 22108工作面下的數(shù)學(xué)計(jì)算力學(xué)模型

圖2 不同煤柱寬度下形變量模擬

模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，約在10 m左右，煤柱兩側(cè)與巷道之間的塑性形變區(qū)相互貫通，只有塑性區(qū)，而沒(méi)有彈性區(qū)，整個(gè)煤柱都將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但煤柱寬度增大的話，煤柱塑性區(qū)就開(kāi)始縮小。煤柱寬度逐漸增大，增至20 m左右時(shí)，煤柱兩側(cè)與巷道之間約為8.9 m，巷道側(cè)寬度為2.83 m。逐漸開(kāi)始出現(xiàn)彈性區(qū)，煤柱可以保持穩(wěn)定；煤柱寬度如果持續(xù)增加到30 m時(shí)，塑性區(qū)將不再變化，彈性區(qū)逐漸增大[3]。也就是當(dāng)達(dá)到煤柱寬度的一定值后，煤柱會(huì)更加穩(wěn)定，有利于安全生產(chǎn)和巷道支護(hù)維護(hù)，但會(huì)損失煤炭資源。

由圖3可以看出，煤柱寬度與變形量的總體上趨勢(shì)是，當(dāng)煤柱寬度逐漸增大時(shí)，巷道圍巖變形量即位移是呈逐漸減小的趨勢(shì)。煤柱寬度在10 m增至20 m時(shí)，變形量的減小是巨大的，相比較其他煤柱寬度的減小趨勢(shì)。而煤柱寬度大于20 m時(shí)，變形量的減小是愈加緩慢的。煤柱作用于兩幫的變形量，工作面附近巷道兩幫水平位移較大，隨著距離增大，變形量減少。煤柱寬度從3 m增至7 m的整個(gè)過(guò)程中，巷道兩幫的變形量隨著煤柱寬度的增加而減?。幻褐叽鐝?0 m增到20 m的整個(gè)過(guò)程中，巷道邊緣形變量逐漸減小。這說(shuō)明20 m是煤柱寬度的一個(gè)臨界點(diǎn)，在20 m范圍內(nèi)增大煤柱寬度對(duì)巷道變形影響較小，而煤柱寬度小于20 m時(shí)巷道變形量隨著煤柱寬度增加急劇減小[4]。

圖3 不同煤柱寬度下的巷道圍巖變形量

當(dāng)煤柱寬度不斷增加時(shí)，垂直作用在煤柱上的應(yīng)力逐漸增大，說(shuō)明開(kāi)采部分在煤柱寬度增大的條件下，承載能力也在逐步增強(qiáng)。煤柱邊緣的載荷減小，這部分重量減到煤柱上去了?？梢钥吹?，如果煤柱寬度達(dá)到特定值時(shí)，煤柱以及煤柱邊緣所承受的垂直應(yīng)力大小基本相等，這時(shí)，煤柱以及煤柱邊緣所承受的應(yīng)力都比較大。隨著煤柱寬度繼續(xù)增大，煤柱起了主要承力作用。當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，煤柱承受垂直應(yīng)力實(shí)際不大，垂直應(yīng)力主要集中在煤柱邊緣，所以會(huì)出現(xiàn)位移形變的應(yīng)該是出現(xiàn)在煤柱的邊緣，此時(shí)的煤柱的位移在應(yīng)力下是最大的，大于其它煤柱寬度下的位移，所以造成的破壞是巨大的，不能保證巷道的安全，煤柱全然不能起支撐的作用。如果煤柱寬度大于此定值時(shí)，主要起支撐作用的是煤柱，所以煤柱不會(huì)完全被壓垮，此時(shí)若能及時(shí)采取適當(dāng)措施，維護(hù)煤柱的穩(wěn)定，煤柱仍能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。所以如果煤柱寬度是中等寬度的話，煤柱就會(huì)受到很大的壓力，對(duì)穩(wěn)定性而言是很不利的；如果煤柱寬度較大，煤柱足以支撐使其保持穩(wěn)定，但造成煤炭損失就會(huì)比較大。綜合安全因素和經(jīng)濟(jì)因素考慮，建議煤柱寬度在20 m左右。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)東曲礦22108工作面的實(shí)際測(cè)量和應(yīng)用FLAC3D模擬軟件對(duì)礦井土質(zhì)、巖石、巷道頂板和煤幫的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析，以及對(duì)綜放工作面巷道的合理布置進(jìn)行研究，認(rèn)為合理煤柱寬度為20 m，能夠有效保障煤柱巷道圍巖穩(wěn)定。東曲礦22108工作面煤柱寬度為20 m，實(shí)際觀測(cè)情況良好，對(duì)類似大斷面巷道的支護(hù)技術(shù)應(yīng)用具有的理論和指導(dǎo)意義。

〔1〕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）.

〔2〕謝廣祥，楊 科，常聚才.煤柱寬度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009（5）.

〔3〕戴 晉.軟厚煤層大斷面巷道保護(hù)煤柱尺寸留設(shè)研究[J].煤礦現(xiàn)代化，2014（5）.

〔4〕趙則龍，張 磊.淺埋大采高工作面區(qū)段煤柱下合理留設(shè)寬度模擬研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（11）.

〔5〕常聚才，謝廣祥，楊科.綜放沿空巷道小煤柱合理寬度確定[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）.