深井動壓巷道保護(hù)煤柱合理留設(shè)寬度研究

李永峰

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

0 引 言

在我國巷道支護(hù)的諸多形式中，巷道保護(hù)煤柱通常以區(qū)段煤柱形式出現(xiàn)，這種巷道保護(hù)方法，屬于我國應(yīng)用最為廣泛的巷道保護(hù)方法[1]。該方法在形式上是將兩個相鄰工作面的運(yùn)輸順槽與回風(fēng)順槽區(qū)別開來，這種方法，巷道管理較為簡單，巷道內(nèi)運(yùn)輸、通風(fēng)、壓風(fēng)以及供水系統(tǒng)相互隔離，互不干擾，優(yōu)化了礦井管理難度[2]。在地應(yīng)力分布上，由于下一工作面的順槽與上工作面順槽有一定的間距，避免了在下一工作面順槽在掘進(jìn)時，受到上一工作面順槽掘進(jìn)、以及工作面回采時的采動擾動，增加巷道維護(hù)成本，減少巷道失穩(wěn)可能性[3]。

但在諸多礦井的生產(chǎn)實際中，對于區(qū)段煤柱寬度的取值，通常以經(jīng)驗為主，一般為10～20m，并沒有進(jìn)行理論計算與推導(dǎo)，這就減少了采區(qū)煤炭采出率，造成煤炭資源的浪費(fèi)。同時，在一般埋深的礦井確定煤柱寬度時，10～20m可以起到對順槽的保護(hù)作用，但隨著我國煤炭開采深度的增加，巷道保護(hù)煤柱寬度的計算必須充分考慮到開采深度的因素對煤柱寬度的影響[4]。同時結(jié)合工作面開采擾動、煤巖力學(xué)參數(shù)等因素，對巷道保護(hù)煤柱寬度進(jìn)行科學(xué)計算，并采用現(xiàn)場鉆孔窺視的方法，進(jìn)行驗證。

1 工作面概況

該礦020201工作面布置于2#煤層的02采區(qū)，工作面地質(zhì)構(gòu)造總體為單斜構(gòu)造，煤層走向為東西走向，煤層傾角平均18，煤層傾向0°，地質(zhì)構(gòu)造簡單，條件相對穩(wěn)定，煤層厚度在2～2.5m左右，平均2.3m，夾矸3層，夾矸巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖為主。原01采區(qū)工作面巷道保護(hù)煤柱依據(jù)經(jīng)驗取20m，工作面順槽凈高4.3m，凈寬2.9m，支護(hù)參數(shù)見表3。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 煤柱留設(shè)寬度理論

巷道保護(hù)煤柱的使用壽命主要有五部分組成，即：煤柱形成、一次采動影響、一次采動穩(wěn)定、二次采動影響與二次采動穩(wěn)定，由于在二次采動穩(wěn)定階段，下工作面已經(jīng)回采完成，故煤柱變形最為嚴(yán)重、順槽圍巖破壞最為嚴(yán)重。所以，在確定巷道煤柱合理寬度時，應(yīng)當(dāng)以二次采動影響下的煤柱穩(wěn)定為研究對象。故煤柱寬度可按式（1）確定。

式中：B為煤柱寬度，m；x1為一次采動穩(wěn)定階段煤柱塑性區(qū)寬度，m；x0為二次采動影響階段煤柱塑性區(qū)寬度，m；L1為煤柱內(nèi)部彈性核寬度，m；

表2 地面相對位置及鄰近區(qū)域開采情況表

表3 巷道支護(hù)參數(shù)

2.1 煤柱塑性區(qū)寬度

圖1 煤柱力學(xué)模型示意圖

由圖1可知，巷道保護(hù)煤柱左右側(cè)受到Px的水平正應(yīng)力的約束作用，即可視為支護(hù)阻力。煤柱兩側(cè)應(yīng)力峰值分別為KγH、K'γH來表示，用σy表示。在σy作用下，煤柱塑性區(qū)有向外滑動趨勢，故塑性區(qū)與煤層頂?shù)装逯g有大小為τxy的滑移剪切應(yīng)力，受到彈性核給的水平擠壓力σx。

同時，為充分考慮煤柱破壞深度，以煤柱塑性區(qū)寬度最大，即中部塑性區(qū)寬度計算；取Px=0時，即巷道支護(hù)失效時計算。則可得式（2）、式（3）計算煤柱一次采動穩(wěn)定階段以及二次采動影響階段的煤柱塑性區(qū)寬度。

式中：x1為一次采動穩(wěn)定階段煤柱塑性區(qū)寬度，m；x0為二次采動影響階段煤柱塑性區(qū)寬度，m；m為煤柱高度，取2.3m；φ0為2#煤內(nèi)摩擦角，由實驗室測量取22°；γ為2#煤視密度，由實驗室測量取24.2kN/m3；C0為 2#煤內(nèi)聚力，由實驗室測量取2400kP；H為2#煤埋藏深度，750m；K為一次采動穩(wěn)定階段，彈性核與塑性區(qū)應(yīng)力鄰界面上應(yīng)力集中系數(shù)（1～2.5），取 2.5；K'為二次采動影響階段，彈性核與塑性區(qū)應(yīng)力鄰界面上應(yīng)力集中系數(shù)（2～3.5），取 3.5；λ為煤層深度系數(shù)，取0.47。

2.2 煤柱彈性核寬度

由圖1中的應(yīng)力分布可知，為保證彈性核不破壞，則最小彈性核的寬度，見式（4）。

式中：L1為煤柱彈性核最小寬度，m；m為煤柱高度，取2.3m；φ為2#煤內(nèi)摩擦角，由實驗室測量取22°；γ為2#煤視密度，由實驗室測量取24.2kN/m3；C為2#煤內(nèi)聚力，由實驗室測量取2400kP；H為2#煤埋藏深度，750m；K為一次采動穩(wěn)定階段，彈性核與塑性區(qū)應(yīng)力鄰界面上應(yīng)力集中系數(shù)（1～2.5），取2.5；K'為二次采動影響階段，彈性核與塑性區(qū)應(yīng)力鄰界面上應(yīng)力集中系數(shù)（2～3.5），取 3.5；

同時，為全面考慮影響煤柱穩(wěn)定性的時間、采掘擾動等因素，最終確定煤柱寬度，見式（5）

式中：x1為一次采動穩(wěn)定階段煤柱塑性區(qū)寬度，m；x0為二次采動影響階段煤柱塑性區(qū)寬度，m；L1為煤柱彈性核最小寬度，m；α為巷道掘進(jìn)擾動影響因子（1～1.5），取1.4；d為工作面回采擾動影響因子（1.5～3.0），取3.0。T為煤柱隨時間弱化因子，取0.6。

3 計算結(jié)果與工程應(yīng)用

帶入數(shù)據(jù)，由式（5）可得，該礦020201工作面回采巷道保護(hù)煤柱寬度為26.78m，在工程實際中順槽保護(hù)煤柱取27m。同時，在020201工作面回采時，對巷道保護(hù)煤柱進(jìn)行了鉆孔窺視（0～5m），見圖2。

圖2 020201工作面回采時順槽保護(hù)煤柱窺視圖

圖3 020107工作面回采時順槽保護(hù)煤柱窺視圖

圖3 為相鄰020107工作面回采時，順槽保護(hù)煤柱的內(nèi)部（0～5m）鉆孔窺視圖，在相同支護(hù)參數(shù)條件下，020107工作面回采時順槽保護(hù)煤柱在0～5m的范圍內(nèi)出現(xiàn)了較為劇烈的破壞，煤柱內(nèi)部破碎，且裂隙發(fā)育明顯，巷道變形劇烈，并進(jìn)行了煤柱注瑪麗散，以維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定。但是，在煤柱寬度增加至27m后，由圖2可見，煤柱內(nèi)部只在0～2.5m范圍之內(nèi)出現(xiàn)了破壞，煤柱內(nèi)部并未出現(xiàn)明顯裂隙，說明此時煤柱穩(wěn)定性好，同時020201回采巷道并未出現(xiàn)明顯變形，有效控制了巷道圍巖。

4 結(jié) 論

1）結(jié)合該礦深井回采巷道保護(hù)煤柱失效的實際問題。在綜合考慮埋藏深度、采掘擾動以及時間等影響參數(shù)后，確定巷道保護(hù)煤柱寬度計算公式確定為：

2）帶入?yún)?shù)，利用煤柱寬度計算公式，計算可得，巷道保護(hù)煤柱合理寬度為27m。

3）在相同支護(hù)參數(shù)時，對不同寬度的工作面巷道保護(hù)煤柱進(jìn)行鉆孔窺視，合理的煤柱寬度，有效控了巷道圍巖穩(wěn)定性，控制了煤柱破壞失穩(wěn)范圍。