大采高工作面回采巷道合理煤柱寬度研究

趙 彬

（陜西煤業(yè)集團(tuán)曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

合理護(hù)巷煤柱的寬度能與其支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖形成一個(gè)具有較高承載能力的系統(tǒng)載體[1-2]。隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)的不斷完善，許多學(xué)者針對(duì)小煤柱留設(shè)及巷道支護(hù)問(wèn)題做了大量研究[3-5]。但很多礦區(qū)回采巷道采用雙巷布置的方式來(lái)保證采掘接替，而當(dāng)本工作面回采結(jié)束后，其輔助運(yùn)輸順槽可為下一工作面繼續(xù)服務(wù)。本文以曹家灘122108工作面回風(fēng)和122106工作面外回風(fēng)順槽為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析和工業(yè)試驗(yàn)等方法綜合研究合理的巷間煤柱寬度，為后續(xù)工作面安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 工程背景

曹家灘煤礦開(kāi)采2-2煤層，煤厚平均10.25 m，埋深300～363 m，傾角約1°～2°。122108工作面是12盤(pán)區(qū)的122106首采面的接替工作面，設(shè)計(jì)工作面寬度為280 m，長(zhǎng)為5910 m，區(qū)域內(nèi)煤層產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，采用綜放開(kāi)采，采5.8 m，放5～6 m。采區(qū)工作面巷道采用雙巷布置，中間設(shè)有聯(lián)絡(luò)巷。122108回風(fēng)順槽和122106外回風(fēng)順槽，寬5.6 m，高4.35 m，巷道斷面為24.36 m2。頂?shù)装逄卣饕?jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

在特大采高條件下，受122106工作面開(kāi)采強(qiáng)擾動(dòng)影響，本來(lái)計(jì)劃再次服務(wù)于122108工作面的122106外回風(fēng)順槽已嚴(yán)重變形，無(wú)法再次使用。相鄰的122108工作面回風(fēng)順槽底板和幫部也出現(xiàn)變形，部分巷道底板出現(xiàn)開(kāi)裂、翹起等現(xiàn)象，底板混凝土翹起，嚴(yán)重影響正常運(yùn)輸和行人。

2 煤體礦壓監(jiān)測(cè)及合理煤柱寬度計(jì)算

2.1 煤體礦壓監(jiān)測(cè)

為揭示采動(dòng)影響下煤體的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，在122108工作面回風(fēng)順槽和122106工作面外回風(fēng)順槽的聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)布置圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)測(cè)站，對(duì)實(shí)體煤側(cè)進(jìn)行多點(diǎn)位應(yīng)力監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)隨工作面不斷推進(jìn)煤體內(nèi)不同深度的內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)變化，分析綜采工作面回采前后煤體礦壓分布規(guī)律。煤體應(yīng)力測(cè)區(qū)布置如圖1。

圖1 煤體應(yīng)力測(cè)區(qū)布置

自122106工作面開(kāi)切眼回采推進(jìn)，在聯(lián)絡(luò)巷布置煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)的煤柱幫煤體內(nèi)布置深4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m的測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)距工作面不同距離、不同深度鉆孔應(yīng)力變化數(shù)據(jù)。其中一組測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2。

由圖2工作面煤柱幫孔深4 m、6 m、8 m應(yīng)力變化曲線可知，在距工作面14 m處鉆孔壓力有明顯升高，此范圍為超前支承應(yīng)力增高區(qū)域；隨著工作面的不斷推進(jìn)，應(yīng)力曲線呈由快到慢的上升趨勢(shì)，主要是因回采帶來(lái)的應(yīng)力重分布，側(cè)向煤體處于不穩(wěn)定狀態(tài)；在工作面后方15 m處，孔深4 m、6 m、8 m鉆孔壓力急劇下降，相反孔深12 m、14 m、16 m鉆孔壓力直線上升，說(shuō)明基本頂斷裂造成應(yīng)力重新分布，實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移；直到33 m處孔深4 m、6 m、8 m鉆孔壓力出現(xiàn)回升，而孔深12 m、16 m、18 m鉆孔壓力繼續(xù)增加，說(shuō)明在采空區(qū)后方33～45 m范圍內(nèi)覆巖運(yùn)動(dòng)比較劇烈，且對(duì)實(shí)體煤壁的應(yīng)力影響起著主要作用，煤體受擾動(dòng)承載較大。

圖2 煤柱幫煤體應(yīng)力變化曲線

同樣，在覆巖運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，深4 m、6 m、8 m、10 m的鉆孔平均壓力為6.4 MPa，而深在12 m、14 m、16 m、18 m的鉆孔平均壓力為11.8 MPa，前者鉆孔平均壓力明顯小于后者鉆孔平均壓力，說(shuō)明實(shí)體煤側(cè)10 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)；深18 m的鉆孔在覆巖運(yùn)動(dòng)期間受到的影響較小，在此之后壓力呈降低趨勢(shì)，表明采空區(qū)應(yīng)力重新分布后實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力峰值在14～16 m范圍內(nèi)。

2.2 合理煤柱寬度理論分析

合理的巷間煤柱寬度對(duì)其巷道圍巖的穩(wěn)定性有重要的影響。隨著工作面的回采，122106外回風(fēng)順槽要經(jīng)歷122106工作面第一次階段的回采影響，而在后續(xù)122108工作面接替回采期間，122106外回風(fēng)順槽經(jīng)歷122108工作面第二次階段的回采影響，在多次采動(dòng)的擾動(dòng)下護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定尤為重要。在采動(dòng)影響下采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力會(huì)隨上覆巖層的斷裂，向?qū)嶓w煤巖體側(cè)轉(zhuǎn)移，待上覆巖層基本穩(wěn)定后形成新的力學(xué)平衡，如圖3。首次采動(dòng)影響后，可將護(hù)巷煤柱分為三個(gè)區(qū)域：破碎區(qū)（a區(qū)）、相對(duì)穩(wěn)定區(qū)（b區(qū)）和錨桿錨固區(qū)（c區(qū)）。

圖3 煤柱分區(qū)示意圖

根據(jù)圖3所示，合理的巷間煤柱寬度為：

式中：L為巷間煤柱寬度，m；La為煤柱破碎區(qū)寬度，m；Lb為煤柱相對(duì)穩(wěn)定區(qū)寬度，m；Lc為錨桿錨固區(qū)寬度，m。

首次回采擾動(dòng)影響后，在煤柱破碎區(qū)與相對(duì)穩(wěn)定區(qū)的交界處其應(yīng)力處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，為此滿足方程：

式中：σx、σy為x與y方向上的主應(yīng)力；τxy為水平剪應(yīng)力；fx、fy為摩擦系數(shù)。

經(jīng)分析化解知，煤柱破碎區(qū)寬度為：

式中：h為采高，綜放開(kāi)采回采率85%，取9.58 m；λ為側(cè)壓系數(shù)，取1.1；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.2；γ為巖體容重，取25 kN/m3；H為巷道頂板距離地表的距離，取平均值326 m；C為煤體黏聚力，取1.6 MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取26°；px為支護(hù)阻力，取0.15 MPa。計(jì)算可得La=10.5 m。

巷道支護(hù)錨固區(qū)長(zhǎng)度Lc為2.5 m，煤柱內(nèi)部相對(duì)較穩(wěn)定區(qū)域長(zhǎng)度可由式（4）計(jì)算得到：

式中：k為考慮煤柱穩(wěn)定系數(shù)，取0.5，得Lb=6.5 m。結(jié)合（1）式，巷間煤柱的穩(wěn)定寬度取20 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

3.1 巷道支護(hù)方案實(shí)施

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和理論計(jì)算，最終選取回采巷間煤柱合理寬度為20 m，在布置122108的下一個(gè)接替工作面回采巷道時(shí)，確保巷道穩(wěn)定的前提下，采用高強(qiáng)度-預(yù)緊力和高系統(tǒng)剛度的支護(hù)。具體支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表2，巷道支護(hù)斷面圖如圖4。

圖4 巷道支護(hù)斷面圖

表2 巷道支護(hù)參數(shù)表

3.2 試驗(yàn)效果分析

為確定巷間煤柱寬度的合理性，在122108工作面回采期間采用十字交叉法在122108輔運(yùn)輸巷道布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)回采過(guò)程中輔運(yùn)輸順槽的頂板及兩幫進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5。

從圖5中看出，在回采期間122108輔運(yùn)輸順槽頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e控制在12 mm和26 mm內(nèi)，并未出現(xiàn)較大的圍巖破壞現(xiàn)象，在工作面回采至測(cè)點(diǎn)后方巷道圍巖變形量基本保持不變，整體處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明主運(yùn)輸順槽與輔運(yùn)輸順槽留設(shè)20 m寬的煤柱是合理的。

圖5 巷道頂板位移監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體煤側(cè)礦壓觀測(cè)，在大采高工作面高應(yīng)力擾動(dòng)條件下，回采工作面采空區(qū)側(cè)向煤體上覆巖體應(yīng)力降低區(qū)在10 m處。

（2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以巷道圍巖變形量為指標(biāo)，留設(shè)20 m的護(hù)巷煤柱合理有效。