龐龐塔特厚煤層區(qū)段煤柱寬度及穩(wěn)定性研究

籍 曉 昕

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

龐龐塔9-101 綜放工作面即將回采結(jié)束，需進(jìn)行下區(qū)段9-301 綜放工作面的準(zhǔn)備作業(yè)。

圖1 工作面布置情況

9-301 綜放工作面所采煤層為9#煤層，平均厚度為11.8m，煤層內(nèi)部含有夾矸，整體煤層為東西方向傾斜的緩傾斜煤層，平均傾角為24°；綜放工作面直接頂是5～7m 厚的泥質(zhì)灰?guī)r，內(nèi)部裂隙發(fā)育，直接底為1～2m 厚的灰色泥巖。9-301 綜放工作面距上層煤層采空區(qū)平均50.63m，采用綜采放頂煤回采工藝，采放比為1：2.69，其中機(jī)采高度3.2m，放煤厚度為8.6m，一采一放，采用單論順序放煤，工作面布置如圖1 所示。為進(jìn)一步提高9-301 工作面的采出率，確定運(yùn)輸巷掘進(jìn)施工時(shí)護(hù)巷煤柱的最優(yōu)寬度，本文以9-301 工作面區(qū)段煤柱的合理留設(shè)寬度為背景展開(kāi)研究。

2 理論計(jì)算

2.1 煤柱寬度最大值確定

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[1,2]可知，煤柱因礦壓造成的變形量、煤柱的自身強(qiáng)度及煤柱實(shí)際高度成一定比例關(guān)系，關(guān)系如圖2 所示。觀察圖可知，當(dāng)煤柱自身寬度與其高度的比值為3 時(shí)，煤柱的變形量則不會(huì)超過(guò)8mm/m，同時(shí)會(huì)隨著煤柱的強(qiáng)度保持增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這種情況下煤體會(huì)保持較好的的穩(wěn)定性及完整性。因此基于此原因，在保持煤柱穩(wěn)定的同時(shí)，盡可能節(jié)約煤炭資源，所留設(shè)的煤柱寬度與高度之比應(yīng)小于3，結(jié)合龐龐塔9#煤層平均厚度，9-301 綜放工作面所留設(shè)煤柱寬度應(yīng)不大于35.4m。

2.2 煤柱寬度最小住確定

對(duì)于煤柱本身來(lái)說(shuō)，若其寬度較小，則會(huì)在工作面回采時(shí)，在受動(dòng)壓影響的情況下，煤柱將會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞[3]，受到破壞后的煤柱，會(huì)對(duì)巷道的錨桿支護(hù)等帶來(lái)較大的影響；當(dāng)區(qū)段煤柱失去其該有的承載能力時(shí)，巷道的穩(wěn)定也將受到影響。因此，在進(jìn)行對(duì)區(qū)段煤柱的寬度計(jì)算時(shí)，需要在其極限平衡條件下進(jìn)行計(jì)算。如圖3 所示。

圖2 煤柱尺寸效應(yīng)

圖3 煤柱寬度計(jì)算示意

根據(jù)煤柱極限平衡理論可知，區(qū)段煤柱留設(shè)的尺寸須滿(mǎn)足以下條件：

式中：B 為煤柱寬度，m；x0為采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度，6.6m；xl為工作面煤柱側(cè)錨支護(hù)有效長(zhǎng)度，2.5m；xb—煤柱內(nèi)部的彈性核區(qū)，xb=K（x0+xl）=0.5（6.6+2.5）=4.55m，將上述參數(shù)代入上式，則區(qū)段煤柱的合理尺寸應(yīng)為：B≥13.65m

由上述分析可知，9-301 綜放面的區(qū)段煤柱合理尺寸應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 模型建立

為確定留設(shè)煤柱最宜寬度，通過(guò)數(shù)值模擬分析不同寬度煤柱下煤體情況。根據(jù)龐龐塔煤礦現(xiàn)場(chǎng)取樣，通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮到煤層內(nèi)節(jié)理及斷層等影響情況，實(shí)際圍巖力學(xué)強(qiáng)度應(yīng)小于實(shí)驗(yàn)所得參數(shù)，因此在進(jìn)行數(shù)值模式時(shí)，為更加與實(shí)際情況向吻合，需要對(duì)模型所附參數(shù)進(jìn)行一定折減。整體模型采用常用的摩爾-庫(kù)倫模型，計(jì)算時(shí)，給定模型邊界施加位移為0 的限制條件，X、Y、Z 方向位移均為0，全部模型共計(jì)66138 個(gè)單元。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬的煤柱寬度分別設(shè)置為8.0m、10.0m、13.0m、15.0m、20.0m 和30.0m。

3.2 不同寬度煤柱應(yīng)力分布

通過(guò)對(duì)不同寬度煤柱內(nèi)部應(yīng)力模擬，得到煤柱內(nèi)部應(yīng)力變化曲線，如圖4 所示。

圖4 回采期間不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布特征

由圖4 可知，隨著煤柱寬度不斷擴(kuò)大，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力集中系數(shù)與峰值多會(huì)出現(xiàn)較為明顯的減小。在煤柱寬度小于10.0m 時(shí)，會(huì)隨著煤柱的寬度逐漸變大，其內(nèi)部的應(yīng)力集中系數(shù)與峰值會(huì)增大，但增長(zhǎng)趨勢(shì)較為緩和；當(dāng)煤柱的寬度大于10.0m 時(shí)，其內(nèi)部的應(yīng)力集中系數(shù)與峰值會(huì)降低，且降低的趨勢(shì)較為快速；在煤柱的寬度逐漸大于30.0m 的整個(gè)過(guò)程中，則其內(nèi)部應(yīng)力集中系數(shù)與峰值在減弱，且趨勢(shì)相當(dāng)平緩。通過(guò)上述分析可以得出，煤柱在寬度15.0～20.0m之間，內(nèi)部較為穩(wěn)定，符合實(shí)際需求；而30.0m 寬度的煤柱雖然較為穩(wěn)定，但在實(shí)際中對(duì)煤炭資源造成大量浪費(fèi)，因此不宜選用30.0m 煤柱。

3.3 不同寬度煤柱下塑性區(qū)分布

9-301 綜放工作面在進(jìn)行回采時(shí)，煤柱受回采動(dòng)壓的二次影響，同時(shí)煤柱本身受到采空區(qū)一旁所形成的支撐壓力，在多種影響的情況下，若留設(shè)的煤柱寬度過(guò)小，則煤柱本身的穩(wěn)定性將受到破壞。由模擬結(jié)果可知，如圖5 所示，在煤柱寬度在8.0m 和10.0m時(shí)，煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)破壞會(huì)沿著煤柱寬度的方向進(jìn)行，從而對(duì)整個(gè)煤柱造成影響，此時(shí)煤柱內(nèi)部的的塑性區(qū)破壞會(huì)從外向內(nèi)逐漸變?nèi)?，?dāng)煤柱難以承受支撐壓力對(duì)其造成的影響，從而造成煤柱不穩(wěn)定。在煤柱寬度從13.0m 上升到30.0m，此時(shí)煤柱內(nèi)部塑性區(qū)未完全聯(lián)通，巷道塑性區(qū)達(dá)到1～3m，采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)達(dá)到1～6m，煤柱內(nèi)部彈性區(qū)范圍是4.2m、9.1m、17.3m、27.4m，在彈性區(qū)的范圍逐漸增大，煤柱的自身承載能力也會(huì)逐漸增大。

圖5 回采時(shí)不同煤柱寬度下巷道塑性區(qū)演變規(guī)律

同時(shí)對(duì)塑性區(qū)與煤柱整體面比值特征統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖6 所示，在圖中可以看出，煤煤柱寬度為8.0m、10.0m 時(shí)，塑性區(qū)與煤柱的整體面的比值超過(guò)60%，其中巷道側(cè)塑性區(qū)比值超過(guò)20%，而采空區(qū)側(cè)的比值超過(guò)40%，此時(shí)的煤柱已難以維持巷道穩(wěn)定。在隨著煤柱的寬度逐漸增大，當(dāng)寬度為13.0m 時(shí)，煤柱塑性區(qū)面與其整體面的比值會(huì)發(fā)生逐漸減小的趨勢(shì)，塑性區(qū)的的占比達(dá)到27.81%，巷道側(cè)占8.49%，采空區(qū)則為19.44%。當(dāng)煤柱的寬度增加到15.0m 和20.0m 時(shí)，塑性區(qū)面與煤柱面占比為16.54%與6.25%，巷道側(cè)塑性區(qū)僅為3.89%與1.62%。當(dāng)煤柱的寬度增加到30.0m 時(shí)，塑形區(qū)占3.58，巷道側(cè)塑性區(qū)則為1.28%。

圖6 不同寬度煤柱時(shí)塑性區(qū)面與煤柱面比值分布規(guī)律

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知，達(dá)昂煤柱寬度為8.0m與10.0m 時(shí)，由于寬度較小，煤層上部巖層造成強(qiáng)大載荷與回采的動(dòng)壓影響，會(huì)使得煤柱內(nèi)部的塑性區(qū)發(fā)生貫通，煤柱已經(jīng)失去穩(wěn)定巷道的作用，對(duì)安全造成極大的危害；當(dāng)煤柱寬度為13.0m 時(shí)，塑性區(qū)較之前占比較小了一半多；當(dāng)煤柱的寬度設(shè)計(jì)為15.0m、20.0m 和30.0m 時(shí)，塑形區(qū)僅為16.8%、7.1%與3.2%，且巷道側(cè)的塑性區(qū)也小于10.0%?？紤]到煤柱主要起到保持巷道穩(wěn)定的作用，因此在此條件下，區(qū)段煤柱寬度取13.0m～20.0m 較為合理。

區(qū)段煤柱的留設(shè)，要在維持巷道穩(wěn)定的前提下，盡可能的節(jié)約煤炭資源，增加煤礦回采率，在經(jīng)過(guò)理論分析與數(shù)值模擬，基于煤礦實(shí)際情況等多種因素考慮，9-301 綜放工作面區(qū)段煤柱寬度設(shè)計(jì)為15m。

4 工程實(shí)踐

在掘進(jìn)期間沿空掘巷時(shí)，采用高預(yù)應(yīng)力錨桿索加多錨索，輔助以鋼帶桁架，同時(shí)在采空區(qū)處進(jìn)行注漿。根據(jù)龐龐塔煤礦現(xiàn)場(chǎng)工作面的實(shí)際布置情況，對(duì)沿空掘巷圍巖穩(wěn)定進(jìn)行監(jiān)測(cè)，來(lái)探究9-301 綜采工作面區(qū)段留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性及合理性。

在9-301 綜放工作面進(jìn)行布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能較全面的反映巷道的實(shí)際情況，防止其他偶然因素造成的影響，決定在下順槽960m 處進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)斷面定為950m、960m、970m，分別對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)為1#，2#，3#。在進(jìn)行監(jiān)測(cè)計(jì)進(jìn)行安置時(shí)，嚴(yán)格按照所確定的點(diǎn)進(jìn)行安置，不得出現(xiàn)誤差。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖7 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

根據(jù)對(duì)沿空掘巷巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7 所示，由圖可得在距離工作面80～100m 內(nèi)，頂?shù)装逡七M(jìn)量達(dá)到23mm 左右，兩幫移進(jìn)量達(dá)到20mm 左右；當(dāng)在距離工作面30～80m 時(shí)，頂?shù)装逡七M(jìn)量最大達(dá)到140mm，兩幫移進(jìn)量最大達(dá)到253mm；當(dāng)距離工作面5～30m 時(shí)，頂?shù)装逡七M(jìn)量最大為213mm，而兩幫移進(jìn)量最大為317mm。通過(guò)對(duì)巷道實(shí)際進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明巷道變形在允許范圍內(nèi)，巷道可以正常使用，說(shuō)明9-301 綜放工作面留設(shè)15m 區(qū)段煤柱可以維持巷道穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

本文以龐龐塔9-301 綜放工作面留設(shè)區(qū)段煤柱為背景，結(jié)合本礦資料，通過(guò)理論計(jì)算并輔以數(shù)值模擬軟件驗(yàn)證等手段確定了合理的15m 寬的區(qū)段煤柱寬度。9-301 綜放工作面回采過(guò)程中，對(duì)下順槽圍巖進(jìn)行表面位移監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究，可知9-301 綜放工作面留設(shè)15m 區(qū)段煤柱可以維持巷道穩(wěn)定，煤柱寬度合理，滿(mǎn)足工程需求。