南陽坡煤礦3號煤層區(qū)段煤柱合理寬度研究與實(shí)踐

孫濤勝，孫 來

(1.大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)公司 增子坊煤礦，山西 朔州 036000；2.大同煤礦集團(tuán)鐵峰煤業(yè)公司 南陽坡煤礦，山西 朔州 036000)

在煤炭資源高強(qiáng)度開采的今天，煤柱合理寬度的留設(shè)影響著井下回采巷道的穩(wěn)定性，這是礦井安全高效生產(chǎn)的重要保障和前提[1-3]。然而高強(qiáng)度下煤柱寬度的合理尺寸一直是沿空巷道研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。目前鐵峰公司大多留設(shè)20～40m寬煤柱以維護(hù)巷道，這大大造成了資源的浪費(fèi)，使煤炭采出率降低，相鄰工作面回采速度快，開采強(qiáng)度高，當(dāng)巷道處于采動影響區(qū)時，由于支護(hù)不利引起巷道大范圍變形破壞，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)[4-6]。

我國眾多專家學(xué)者在煤柱合理寬度確定方面做了大量研究，張廣超等[3]建立了高強(qiáng)度開采工作面頂板破斷結(jié)構(gòu)模型，確定了區(qū)段煤柱合理寬度，提出了非對稱圍巖控制技術(shù)；謝廣祥等[7]通過對工作面巷道表面位移與支架載荷的監(jiān)測分析，指出了合理巷道支護(hù)設(shè)計原則；閆帥等[8]研究了煤柱寬度對相鄰兩巷道圍巖應(yīng)力分布和變形特征的影響，揭示了煤柱寬度與巷道穩(wěn)定性的關(guān)系；王德超等[9]采用數(shù)值模擬的方法確定了區(qū)段煤柱合理留設(shè)寬度，采取相應(yīng)的支護(hù)措施后圍巖變形大大降低；劉金海等[10]針對煤層區(qū)段煤柱留設(shè)問題，通過微震監(jiān)測、應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測和理論計算等方法確定了煤柱尺寸。許多學(xué)者對區(qū)段煤柱合理寬度的研究已經(jīng)很詳盡，但是針對高強(qiáng)度開采條件下的煤柱寬度問題研究仍較少。本文以南陽坡礦3號煤層8701工作面區(qū)段煤柱留設(shè)為例，利用極限平衡理論與數(shù)值軟件的方法研究高強(qiáng)度開采條件區(qū)段煤柱的受力情況，應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)踐，最終確定煤柱留設(shè)合理尺寸和相對應(yīng)的圍巖支護(hù)技術(shù)。

1 工程概況

南陽坡煤礦3號煤層8701工作面長180m，走向長度1200m，煤層平均厚度為2.95m，煤層賦存穩(wěn)定，大部分可采，只有少數(shù)夾矸。頂板巖層的構(gòu)成組分主要有細(xì)、中、粗砂巖。礦井中東部和南部TE13號鉆孔巖層的成分是砂質(zhì)泥巖和泥巖；礦井北部T4，T5，511號鉆孔巖層的成分為粉砂巖；礦井西部巖層由粉(T7，408，ME202孔)、細(xì)(309，310孔)砂巖所組成；礦井東南部巖層則由細(xì)、粗砂巖所構(gòu)成。3號煤層及頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2 煤柱合理尺寸設(shè)計

2.1 煤柱寬度理論計算

煤柱寬度的確定對巷道穩(wěn)定性具有重要影響。煤柱寬度的計算利用煤柱的強(qiáng)度理論和極限平衡理論，以巷道、采空區(qū)附近煤層塑性區(qū)寬度和保持煤柱穩(wěn)定性的煤柱中間彈性區(qū)寬度為依據(jù)，確立理論公式對煤柱合理寬度進(jìn)行推算[11-13]。

保持護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性的煤柱寬度S為：

S=x1+2M+x2

(1)

式中，x1，x2為區(qū)段煤柱兩邊塑性區(qū)寬度；2M為區(qū)段煤柱中間彈性區(qū)寬度，M是巷道掘高。

采空區(qū)側(cè)方煤柱邊緣塑性區(qū)寬度為：

(2)

式中，m為上一區(qū)段平巷高度，取3.3m；A為側(cè)壓力系數(shù)，取1；φ為煤層內(nèi)部摩擦角，取37°；C0為煤層黏聚力，取1.45MPa；k為煤體內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)，依據(jù)現(xiàn)場情況取2.5；H為巷道埋藏深度，取200m；γ為巖層平均體積力，依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況取25kN/m3；P0為支護(hù)系統(tǒng)對區(qū)段煤柱的支護(hù)阻力，取P0=50kN。

巷道圍巖塑性區(qū)寬度x2計算如下：

(3)

式中，η為塑性區(qū)寬度修正系數(shù)，取值1.6；R0為圓巷等效半徑，取巷道寬度一半，即2.9m。

因此可得巷道圍巖塑性區(qū)寬度為：

x2=1.6×2.9×

則煤柱寬度為：

S>4.35+2×3.3+2.05=13m

通過理論計算，煤柱寬度應(yīng)大于13m。

2.2 不同尺寸煤柱應(yīng)力分布特征

經(jīng)過理論計算3號煤層煤柱合理寬度為大于13m。根據(jù)理論計算得到的煤柱合理寬度，選取15m，18m和21m寬度煤柱進(jìn)行數(shù)值模擬，為對比明顯，加入12m寬度煤柱進(jìn)行對比模擬，模擬結(jié)果見圖1。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)情況，工作面長度為180m，平均采高取3.0m進(jìn)行計算，從而模擬出回采過程中的應(yīng)力變化對區(qū)段煤柱另一側(cè)巷道穩(wěn)定性的影響以及寬度不同的區(qū)段煤柱對巷道位移大小的影響。為體現(xiàn)高強(qiáng)度開采，將回采開挖速度定為6000步[14]。

圖1 不同煤柱寬度下煤柱垂直應(yīng)力分布曲線

從圖1中可以看出，當(dāng)煤柱留設(shè)12m時，煤柱內(nèi)會產(chǎn)生明顯的支承應(yīng)力疊加現(xiàn)象，垂直應(yīng)力峰值最大達(dá)到了25.7MPa，此時煤柱處于應(yīng)力集中狀態(tài)，呈單峰形態(tài)，且易變形失穩(wěn)。隨著煤柱寬度不斷增加，應(yīng)力峰值的范圍也隨之不斷擴(kuò)大，煤柱寬度由15m增大到21m過程中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力基本呈現(xiàn)“馬鞍形”，煤柱兩側(cè)各出現(xiàn)一個應(yīng)力峰值。區(qū)段煤柱寬度為15m時，應(yīng)力峰值為25.2MPa；區(qū)段煤柱為寬度18m時，應(yīng)力峰值減小為23.7MPa；區(qū)段煤柱寬度為21m時，應(yīng)力峰值進(jìn)一步減小到20.6MPa。隨著區(qū)段煤柱寬度大于15m后，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值逐漸減小，煤柱內(nèi)2個垂直應(yīng)力峰值之間平滑段逐漸增加，說明煤柱內(nèi)彈性區(qū)范圍越來越大，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中范圍明顯減小，煤柱穩(wěn)定性較好。

2.3 不同尺寸煤柱位移分布特征

對模擬方案中的2703巷道頂?shù)装搴蛢蓭椭悬c(diǎn)隨步距的位移值進(jìn)行統(tǒng)計，并繪出寬度不同的區(qū)段煤柱巷道在不同位置的曲線，如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，當(dāng)區(qū)段煤柱寬度取12m時，靠近煤柱側(cè)2703巷道左幫位移量為50mm，右?guī)臀灰屏?0mm，巷道頂板向下移動42mm，底板底鼓量23mm，豎直方向收斂量為63mm，巷道變形仍舊較大；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度取15m時，靠近煤柱側(cè)2703巷道左幫位移量為40mm，右?guī)臀灰屏繛?5mm，巷道頂板向下移動30mm，底板底鼓量22mm，豎直方向收斂量為50mm，巷道變形相比較??；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度取18m以后時，靠煤柱側(cè)2703巷道左幫位移37mm，巷道右?guī)臀灰?4mm，巷道頂板下沉量為28mm，底板底鼓量18mm，巷道變形進(jìn)一步縮小。

2.4 不同尺寸煤柱塑性區(qū)分布特征及尺寸的確定

圖4為不同寬度煤柱塑性區(qū)圖，從塑性區(qū)的發(fā)展來看，彈性核區(qū)寬度隨著煤柱寬度的增加逐漸增加，塑性區(qū)范圍則逐漸減小。從圖中看出，僅當(dāng)煤柱寬度大于18m時，煤柱中心彈性核區(qū)已足夠保證煤柱整體結(jié)構(gòu)的完整性，并且在保證安全生產(chǎn)的前提下為了能夠更多地采出煤炭，最終確定8701工作面煤柱留設(shè)寬度取18m。

圖2 巷道頂?shù)装逑鲁廖灰屏勘O(jiān)測曲線

圖3 巷道煤柱側(cè)、實(shí)體煤側(cè)水平移近量位移曲線

圖4 不同寬度煤柱塑性區(qū)模擬

3 現(xiàn)場支護(hù)與礦壓觀測

根據(jù)3號煤層8701工作面18m的煤柱寬度設(shè)計支護(hù)參數(shù)，相鄰2703巷道采用錨桿-錨索-菱形金屬網(wǎng)-W鋼帶支護(hù)，其中頂板采用左旋無縱筋螺紋錨桿，規(guī)格φ20mm2200mm，間排距為1000mm800mm；兩幫所采用錨桿材料一致，規(guī)格為φ18mm2200mm，間排距1000mm1000mm，錨索長5000mm，間距為3000mm。

對3號煤層2703巷進(jìn)行現(xiàn)場礦壓觀測。選取距開切眼100m內(nèi)作為監(jiān)測段，巷道內(nèi)設(shè)置2處監(jiān)測站，對巷道頂?shù)装?、兩幫位移量進(jìn)行監(jiān)測，第1監(jiān)測站距離開切眼約為50m，第2監(jiān)測站距開切眼長度約為70m。如果某處斷面發(fā)生圍巖破損嚴(yán)重的情況，可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)新增加觀測站。

通過十字交叉法監(jiān)測2703巷道在掘巷和回采期間頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰屏?。監(jiān)測結(jié)果表明，南陽坡煤礦3號煤層煤柱留設(shè)18m的情況下，掘巷期間兩幫位移最大為20mm。工作面開始推進(jìn)時，2703巷道圍巖變形逐漸增大，當(dāng)推進(jìn)一定距離以后，巷道的變形量逐漸趨于穩(wěn)定，巷道兩幫最大位移量最后趨向300mm，頂?shù)装遄畲笫諗苛口呄蛴?50mm，均在安全允許范圍以內(nèi)，證明該煤層留設(shè)18m區(qū)段煤柱是可行的。

4 結(jié) 論

(1)利用煤柱的強(qiáng)度理論和極限平衡理論計算表明，南陽坡煤礦3號煤層區(qū)段煤柱留設(shè)寬度的極小值為13m。

(2)利用FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果表明，為了保持穩(wěn)定的區(qū)段煤柱整體結(jié)構(gòu)，確保巷道使用期間的穩(wěn)定性，南陽坡煤礦3號煤層煤柱留設(shè)寬度的合理尺寸不小于18m。

(3)確定南陽坡煤礦3號煤層區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為18m，在3號煤層2703工作面進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)試驗，通過對巷道圍巖位移的觀測，驗證了方案的可行性，對以后南陽坡煤礦的高效開采有著重要的借鑒意義。