高瓦斯綜放面迎采巷道護(hù)巷煤柱合理尺寸研究

郭子程

（山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

0 引言

由于采掘銜接緊張，高河礦在W4301工作面回采期間提前相向開(kāi)掘鄰近接續(xù)W4302工作面的回采巷道，但迎采巷道圍巖穩(wěn)定性將受到采掘應(yīng)力的耦合影響，不僅巷道變形量大、支護(hù)困難問(wèn)題突出，為此需要研究合理護(hù)巷煤柱寬度，以實(shí)現(xiàn)控制迎采巷道圍巖穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)2個(gè)工作面安全生產(chǎn)的目的。

1 工作面基本情況

山西高河能源有限公司為設(shè)計(jì)產(chǎn)能7.5 Mt/a的高瓦斯生產(chǎn)礦井，主采3號(hào)煤層，屬高瓦斯低透氣性煤層。為保證鄰近工作面順利接續(xù)，設(shè)計(jì)在W4301工作面回采期間應(yīng)用邊采邊掘工藝布置W4302工作面的回風(fēng)順槽。W4302回風(fēng)順槽位于礦井西四盤區(qū)，北面臨W4301工作面，東面接+450 m水平南翼大巷，西面為礦界，南面為W4302工作面未采區(qū)，埋藏深度約480 m，3號(hào)煤底板距9號(hào)煤底板平均距離約65.4 m。

W4301工作面采用“Y+L”型通風(fēng)方式，按照兩進(jìn)一回+高抽巷布置，膠帶順槽與進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)順槽回風(fēng)；W4302工作面設(shè)計(jì)采用“W”型通風(fēng)方式，仍按照兩進(jìn)一回+高抽巷布置，其中W4302進(jìn)風(fēng)順槽為通過(guò)沿空留巷方式保留下來(lái)的原W4301進(jìn)風(fēng)順槽，W4302膠帶順槽為原W4301回風(fēng)順槽，W4302回風(fēng)順槽即準(zhǔn)備開(kāi)掘的迎采巷道，迎采巷道位置平面示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 迎采巷道位置平面示意圖

W4301工作面與W4302回風(fēng)順槽均沿3號(hào)煤層底板布置，根據(jù)W4301進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)期間瓦斯涌出情況預(yù)測(cè)，W4302回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間單循環(huán)落煤最大瓦斯涌出量為1.0 m3/min，煤壁每百米瓦斯涌出量為0.2 m3/min。

W4301工作面長(zhǎng)度為320 m，埋深范圍為380.602～442.005 m，膠帶、進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)順槽長(zhǎng)度分別為1 696、1 586、2 454 m，進(jìn)風(fēng)順槽同高抽巷之間留設(shè)35 m煤柱，高抽巷長(zhǎng)度為1 552 m。工作面采用綜放開(kāi)采工藝，煤層均厚6.08 m，采高3.5 m，放煤高度2.58 m，采放比1∶0.74，放煤步距為一采一放。

2 護(hù)巷煤柱合理尺寸理論分析

影響護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性的主要因素為煤柱所承受的載荷以及煤柱強(qiáng)度。在煤礦特殊地質(zhì)條件與生產(chǎn)環(huán)境下，對(duì)煤柱載荷和強(qiáng)度產(chǎn)生影響的因素如煤層埋深、煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造與煤體內(nèi)弱面、煤柱與頂?shù)装褰佑|系數(shù)、頂?shù)装甯矌r巖性等均為客觀不可選變量，因此僅可通過(guò)選擇護(hù)巷煤柱的寬度來(lái)提高煤柱承載性與穩(wěn)定性。此外，可將護(hù)巷煤柱視為一個(gè)大的巖石試件，若要保證其穩(wěn)定性則需要所受載荷低于煤柱自身強(qiáng)度值，并留有一定的富余量。因此，將從上述2方面研究護(hù)巷煤柱穩(wěn)定條件，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化護(hù)巷煤柱的合理尺寸。

2.1 煤柱的彈塑性變形區(qū)與支承應(yīng)力分布計(jì)算

兩側(cè)工作面回采結(jié)束后，護(hù)巷煤柱兩側(cè)圍巖分別有破碎和塑性區(qū)域，寬度分別記為x0、x1，見(jiàn)圖2。

圖2 護(hù)巷煤柱支承應(yīng)力分布情況示意圖

假設(shè)令x0+x1=x，大量開(kāi)采實(shí)踐表明，護(hù)巷煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)的條件為其內(nèi)部具有不小于煤柱高度2倍的彈性核區(qū)，即

式中：x3為彈性核區(qū)寬度，m；B為護(hù)巷煤柱寬度，m；M為煤柱高度，取6.08 m。

由公式1計(jì)算確定W4302回風(fēng)順槽護(hù)巷煤柱內(nèi)彈性核區(qū)寬度不應(yīng)小于12.16 m。

2.2 護(hù)巷煤柱的合理留設(shè)寬度的理論計(jì)算

圖3所示為護(hù)巷煤柱合理尺寸計(jì)算示意圖。

圖3 護(hù)巷煤柱合理尺寸計(jì)算示意圖

如圖3所示，在W4302回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，其兩側(cè)分別為采空區(qū)、實(shí)體煤，而在W4302工作面回采時(shí)還會(huì)受二次采動(dòng)影響。護(hù)巷煤柱的寬度應(yīng)有利于迎采巷道圍巖穩(wěn)定性控制，因此為避免出現(xiàn)圍巖變形嚴(yán)重、頂板冒落、底鼓以及片幫等災(zāi)害的發(fā)生。護(hù)巷煤柱的合理留設(shè)寬度的理論計(jì)算公式為：

式中：x1為W4301工作面開(kāi)采產(chǎn)生塑性區(qū)的寬度，m；x2為W4302工作面采掘影響產(chǎn)生塑性區(qū)的寬度，m。

以下幾個(gè)方面的假設(shè)為基礎(chǔ)：①將煤體視為連續(xù)、均勻且各向同質(zhì)的彈性體；②不考慮煤柱屈服前所發(fā)生的位移和變形；③煤柱只受覆巖的自重應(yīng)力和采動(dòng)的影響，不受構(gòu)造應(yīng)力的影響；④煤柱所受上覆載荷呈對(duì)稱分布；⑤當(dāng)煤柱因剪切力出現(xiàn)變形破壞時(shí)，其剪切破壞面與煤層相平行；⑥當(dāng)煤柱局部發(fā)生屈服時(shí)，將發(fā)生屈服的區(qū)域作為彈性極限考慮。

2.2.1 W4301工作面開(kāi)采產(chǎn)生塑性區(qū)的寬度

根據(jù)巖石力學(xué)極限平衡相關(guān)理論，煤柱塑性區(qū)寬度，即支承壓力峰值至煤體邊緣距離x1為：

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)，取4；Q1為對(duì)煤幫支護(hù)阻力，取480 k P a；C為煤粘聚力，取2.02 MPa；φ為煤內(nèi)摩擦角，取20°；f為煤同頂?shù)装鍑鷰r接觸的摩擦因數(shù)，取0.3；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，ξ=γ為上覆巖層容重平均值，取25 kN/m3；H為上覆巖層的高度，取412.51 m。

將參數(shù)代入公式4中，計(jì)算得到x1為6.51 m。

2.2.2 W4302工作面采掘影響產(chǎn)生塑性區(qū)的寬度

通常采用圓形巷道受力模型來(lái)對(duì)圍巖塑性區(qū)變形情況進(jìn)行研究，可將圍巖受力分析作為彈塑性力學(xué)中的平面應(yīng)變圓孔進(jìn)行研究，其所受應(yīng)力主要為水平應(yīng)力，由此建立的圓形巷道受力模型見(jiàn)圖4。

圖4 圓形巷道受力模型

圖4 中，a表示巷道半徑；r，θ表示塑性區(qū)邊界任一點(diǎn)極坐標(biāo)；P表示原巖應(yīng)力。圓形巷道塑性區(qū)半徑x2的計(jì)算公式為：

式中：P為原巖應(yīng)力，取12.9 MPa；Pi為支護(hù)阻力，取480 k P a；a為圓形巷道半徑，取2.6 m；φ為圍巖內(nèi)摩擦角，取20°;C為圍巖粘聚力，取2.02 MPa。

將各參數(shù)代入公式4中，計(jì)算得到x2為5.1 m。前述計(jì)算結(jié)果表明W4301工作面開(kāi)采后護(hù)巷煤柱鄰近側(cè)塑性區(qū)范圍為6.51 m，大于巷道開(kāi)挖圍巖塑性區(qū)范圍5.1 m，考慮回風(fēng)順槽布置完成后，W4302工作面的開(kāi)采護(hù)巷塑性區(qū)發(fā)育范圍將進(jìn)一步擴(kuò)展，因此x3同樣取值6.51 m。由于前述理論計(jì)算沒(méi)有考慮工作面回采動(dòng)壓影響，而實(shí)際塑性區(qū)寬度應(yīng)比理論計(jì)算結(jié)果大，取采動(dòng)影響系數(shù)D為1.5，則合理煤柱寬度計(jì)算公式為：

計(jì)算出護(hù)巷煤柱合理寬度不應(yīng)小于31.7 m，取35 m。

3 迎采巷道礦壓監(jiān)測(cè)分析

3.1 礦壓監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

W4302回風(fēng)順槽布置于3號(hào)煤層內(nèi)，巷道長(zhǎng)1 435 m。斷面掘?qū)? 300 mm，掘高3 900 mm，掘斷面20.67 m2；凈寬5 200 mm，凈高3 700 mm，掘斷面19.24 m2。如圖5所示，在W4302回風(fēng)順槽左右兩幫共布置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，順槽頂?shù)装逋瑯硬贾?個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂?shù)装鍖?duì)稱布置。

圖5 巷道圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

如圖5所示，1、3、5、7號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置順槽左幫，距底板2 m；2、4、6、8號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在順槽右?guī)?，距底? m；9、11、13、15號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在頂板中軸線處；10、12、14、16號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在底板中軸線處。

3.2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)巷道周圍測(cè)點(diǎn)的布置位置，每天監(jiān)測(cè)巷道兩側(cè)和頂?shù)装灞砻娴膰鷰r變形量，記錄數(shù)據(jù)并導(dǎo)入至O rigin軟件進(jìn)行處理，確定圍巖表面變化趨勢(shì)以及支護(hù)效果。圖6所示為迎采巷道兩幫測(cè)點(diǎn)位移曲線與變形速率。

圖6 迎采巷道兩幫測(cè)點(diǎn)位移曲線與變形速率

由圖6可知，可看出在迎采巷道初始開(kāi)掘10 d內(nèi)，兩幫變形速率最大，達(dá)到2.25 mm/d，10 d后變形速率呈現(xiàn)波動(dòng)性減小的變化趨勢(shì)，但兩幫整體移近量不斷增大，直至開(kāi)挖60 d后，兩幫移近量趨于穩(wěn)定，變形速率趨近于0，兩幫累計(jì)移近量大致為90 mm左右。迎采巷道頂?shù)装灞O(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示：

圖7 迎采巷道頂?shù)装鍦y(cè)點(diǎn)位移曲線與變形速率

由圖7可知，迎采巷道頂?shù)装遄冃螘r(shí)間與兩幫基本一致，即迎采巷道開(kāi)掘后的60 d為圍巖位移不斷增加，在60 d位移量基本保持恒定，頂?shù)装遄罱K位移量大致為40 mm左右，小于兩幫移近量，但迎采巷道開(kāi)掘40 d內(nèi)，頂?shù)装逡平烤３植粩嘧兓厔?shì)，40 d后頂?shù)装逡平坎粩鄿p小。

綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明迎采巷道兩幫及頂?shù)装鍑鷰r完整程度較高，圍巖表面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂隙裂縫，表明護(hù)巷煤柱寬度取35 m較為科學(xué)合理，可以滿足巷道圍巖控制和正常使用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析迎采巷道護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性主要影響因素的基礎(chǔ)上，利用理論研究的方法對(duì)護(hù)巷煤柱合理寬度進(jìn)行計(jì)算，得出護(hù)巷煤柱合理寬度不應(yīng)小于31.7 m，設(shè)計(jì)W4302回風(fēng)順槽護(hù)巷煤柱寬度取值為35 m。利用現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)的手段，在回風(fēng)順槽左右兩幫共布置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，順槽頂?shù)装逋瑯硬贾?個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂?shù)装鍖?duì)稱布置。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道圍巖變形在開(kāi)挖60 d后可以基本趨于穩(wěn)定，兩幫累計(jì)移近量大致為90 mm左右，頂?shù)装遄罱K位移量大致為40 mm左右，迎采巷道圍巖完整程度較高，表面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂隙裂縫，因此護(hù)巷煤柱寬度取值較為科學(xué)合理，可以滿足巷道圍巖控制和正常使用要求。