大采高沿空掘巷留設(shè)煤柱合理寬度研究與實(shí)踐

梁 潔，陳 杰

（山西大同大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，山西大同 037003）

大采高綜采工藝應(yīng)用廣泛，但常規(guī)大采高配合寬煤柱護(hù)巷方式易造成資源浪費(fèi)[1]。近年來出現(xiàn)的大采高留小煤柱技術(shù)正逐漸興起，而煤柱的合理留設(shè)寬度是小煤柱沿空掘巷技術(shù)成功的關(guān)鍵[2-5]?，F(xiàn)以山西某煤礦為工程研究背景，研究煤柱自身穩(wěn)定性及煤柱寬度對巷道圍巖的控制，給出小煤柱的最佳留設(shè)寬度。

1 工程背景

山西某煤礦主采15#煤層，煤層平均厚度約為6m，煤層平均傾角約為9°，屬緩傾斜煤層。試驗(yàn)巷道為1106 工作面運(yùn)輸巷，巷道寬5.0 m，高4.2 m，沿煤層頂板掘進(jìn)。1102 和1106 兩個工作面均屬一采區(qū)，采煤工藝選用傾斜長壁后退式綜合機(jī)械化開采方式，頂板采用全部垮落法。1102 工作面沿走向137 m，傾向?yàn)?33 m，西部是三條大巷，東邊為井田邊界，南邊緊挨1106 工作面與1#采空區(qū)，工作面北邊為1101 工作面的采空區(qū)。為緩解采掘工作銜接，采用留煤柱迎回采面掘巷的方式，邊回采1102 工作面邊掘進(jìn)1106 工作面運(yùn)輸順槽。工作面采掘關(guān)系，見圖1。

圖1 工作面位置關(guān)系

2 小煤柱合理寬度理論計(jì)算

為保證巷道圍巖的移近量處于可控范圍，同時兼顧煤柱煤炭資源的損失，在設(shè)定合理煤柱寬度時應(yīng)當(dāng)盡量小。但煤柱寬度過小，掘巷后錨桿支護(hù)巷道煤柱易發(fā)生快速變形破壞，從而使得錨桿周邊的圍巖發(fā)生破碎，引發(fā)支護(hù)失效。根據(jù)已有理論，理想的最小煤柱寬度B計(jì)算公式為：

式中：X1為相鄰區(qū)段工作面開采后靠近采空區(qū)一側(cè)煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，其值由（2）式[6]計(jì)算得到；X2為錨索有效長度，取5.0 m；X3為煤柱安全系數(shù)，按0.15～0.25（X1+X2）計(jì)算。

式中：m為煤層厚度，取6.0 m；α為側(cè)壓系數(shù)，取0.3；C為煤層界面黏聚力，取1.78 MPa；φ為煤層的內(nèi)摩擦角，取34°；K為回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)，切頂后取2.05；γ為上部巖層平均容重，取26 kN/m3；H為煤層平均埋深，取130 m；Px為煤柱采空區(qū)一側(cè)的支護(hù)阻力，取0。

經(jīng)計(jì)算X1為1.72 m，X3取值區(qū)間在1.01～1.68 m，合理煤柱寬度B介于7.73～8.40 m。綜合考慮工程條件，取1106工作面沿空掘巷煤柱寬度為8.0 m。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)

3.1 數(shù)值模型建立

為進(jìn)一步確定沿空巷道小煤柱的寬度，基于1102 和1106 工作面的生產(chǎn)地質(zhì)條件，綜合考慮各因素，建立如下數(shù)值計(jì)算模型。模型尺寸長120 m×寬1 m×高50 m，煤層厚為6 m，工作面采用長壁式開采，即模擬采空區(qū)寬度為50 m。巷道寬和高分別為5 m和4.2 m，煤柱留設(shè)尺寸為6～10 m等步距的5個方案。模型四周為固定邊界，限制其變形活動，僅模型上部為自由邊界，可將上覆巖層施加到模型上表面，載荷大小4.43 MPa。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 掘進(jìn)前實(shí)體煤側(cè)向垂直應(yīng)力分析

當(dāng)上區(qū)段1102 工作面回采過后，煤體側(cè)向原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力開始重新分布，直至再次達(dá)到平衡狀態(tài)。這一過程會使煤體發(fā)生側(cè)向應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時在采空區(qū)邊緣的位置會出現(xiàn)一定的彈性分布。而隨著時間向前推進(jìn)，煤柱發(fā)生破碎的位置從表面逐步轉(zhuǎn)向煤體深部，同時煤體也由彈性狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?。工作面回采前后?cè)向煤體應(yīng)力云圖，見圖2、圖3。

圖2 工作面回采前側(cè)向煤體應(yīng)力云圖

圖3 工作面回采后側(cè)向煤體應(yīng)力云圖

1102 工作面回采過后，引發(fā)采空區(qū)邊緣煤體內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力增高現(xiàn)象，同時應(yīng)力增幅較明顯。1102 工作面回采活動引起的煤體側(cè)向應(yīng)力分布影響范圍約為50 m，此時應(yīng)力降低區(qū)為采空區(qū)邊緣煤壁延伸至煤體內(nèi)部約15 m 的范圍，而應(yīng)力增高區(qū)（應(yīng)力集中系數(shù)大于1.5）為距離采空區(qū)邊緣煤壁約15～50 m 的煤柱內(nèi)部，與此同時側(cè)向應(yīng)力的最大值出現(xiàn)的應(yīng)力增高區(qū)峰值為7.6 MPa，距離煤壁50 m 以外的范圍為原巖應(yīng)力區(qū)。

3.2.2 掘進(jìn)后煤柱應(yīng)力及巷道圍巖變形分析

沿空掘巷技術(shù)是在上區(qū)段的工作面穩(wěn)定后，通過留設(shè)煤柱，從而保證下區(qū)段工作面的穩(wěn)定。下區(qū)段掘進(jìn)活動會造成煤體的應(yīng)力重新分布，小煤柱及巷道實(shí)體煤側(cè)都會發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中會造成煤柱及圍巖的變形量增大。因此，研究煤柱的合理留設(shè)寬度對于巷道穩(wěn)定性十分重要。

（1）煤柱應(yīng)力分析。不同煤柱寬度下應(yīng)力分布曲線，見圖4?？梢钥闯霎?dāng)煤柱寬度小于7 m時，煤柱的應(yīng)力呈現(xiàn)出“單峰值”的分布特征，此時煤柱整體的塑性區(qū)域占據(jù)整體煤柱體積的比例相對較大，煤柱的塑性區(qū)發(fā)生貫通，煤柱出現(xiàn)破壞；而當(dāng)煤柱寬度大于7 m 時，煤柱應(yīng)力分布呈現(xiàn)“雙峰值”特征，煤柱內(nèi)出現(xiàn)彈性核區(qū)，有利于煤柱的自身穩(wěn)定性。所以，考慮到煤柱穩(wěn)定的約束條件，合理的煤柱寬度應(yīng)當(dāng)大于7 m。

圖4 不同寬度的煤柱其應(yīng)力分布曲線圖

（2）巷道變形分析。對不同煤柱寬度下的圍巖變形量，見圖5、圖6。通過數(shù)值模擬軟件研究結(jié)果可以看出，當(dāng)煤柱寬度為6 m 時，此時的巷道頂?shù)装寮跋锏纼蓭鸵平烤鶠閹追N煤柱寬度下的最大值，最大值分別為641 mm 和595 mm；當(dāng)煤柱寬度提升為10 m 時，此時巷道頂?shù)装寮跋锏纼蓭鸵平繛閹追N煤柱寬度下的最小值，分別為550 mm 和485 mm。由此得出，隨著煤柱寬度的增大，巷道的兩幫及頂板底板變形量均呈現(xiàn)近線性下降趨勢，而在煤柱寬度為8 m 時下降的幅度有所收窄，基于保證穩(wěn)定性的要求，選定8 m的煤柱寬度是較為合理的。

圖5 不同寬度煤柱巷道頂?shù)装鍑鷰r變形量

圖6 不同寬度煤柱巷道兩幫圍巖變形量

4 沿空巷道變形觀測

為了進(jìn)一步分析不同煤柱寬度下的圍巖變形及受力特征，對軌道巷的圍巖變形和煤柱內(nèi)部應(yīng)力情況進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 運(yùn)輸巷圍巖表面變形速率圖

圖8 煤柱內(nèi)應(yīng)力分布圖

從圖7中可以看出，運(yùn)輸巷頂板和兩幫受工作面距離影響的變形速率變化趨勢整體一致。在0～30 m的工作面距離范圍，兩條變形速率曲線均呈現(xiàn)近線性衰減，該階段的變形速率中數(shù)約為100 mm/d，整體變化劇烈，可知受采動劇烈影響范圍為沿工作面前方約30 m范圍。30 m的距離是變形速率變化的顯著拐點(diǎn)。在之后的30～70 m 工作面距離范圍，隨距離增大變形速率呈較為平緩的下降趨勢，該階段的變形速率中數(shù)約為17 mm/d，僅為初始劇烈變化階段速率中數(shù)100 mm/d 的1/6，尤其是在工作面距離達(dá)到70 m 時，變形速率幾近為零。工作面距離到達(dá)70～140 m 范圍時，變形速率曲線近乎水平直線，整體保持穩(wěn)定。

從圖8 中可以看出，隨著工作面距離的從0 增大到90 m，軌道巷內(nèi)部應(yīng)力值呈現(xiàn)先增加后見效的單峰態(tài)變化趨勢，18.5 m是應(yīng)力值由增長變?yōu)榻档偷霓D(zhuǎn)折點(diǎn)。在工作面距離0～18.5 m 范圍，巷道內(nèi)部應(yīng)力值呈現(xiàn)線性增長，從初始的4.85 MPa 到峰值的8.25 MPa。過了距離轉(zhuǎn)折點(diǎn)18.5 m 之后，巷道內(nèi)部應(yīng)力值開始一路衰減至幾乎與初始應(yīng)力值相當(dāng)?shù)?.80 MPa，此時對應(yīng)工作面距離約為80 m。之后隨工作面距離的增大，應(yīng)力值始終保持相對恒定。

綜上所述可以得出，隨回采工作面的不斷向前推進(jìn)，巷道的斷面收縮率呈增大趨勢。而軌道巷的煤柱內(nèi)部應(yīng)力值經(jīng)歷較快上升期至工作面距離18.5 m 時達(dá)到峰值8.25 MPa，然后緩慢下降至近乎初始應(yīng)力值。巷道變形多為底鼓及頂板下沉，在經(jīng)歷鄰近工作面的采動影響后，目標(biāo)巷道變形總量處于工程允許范圍，現(xiàn)場實(shí)測表明留設(shè)8 m 寬的煤柱是合理有效的。

5 結(jié)論

（1）基于大采高工作面留小煤柱護(hù)巷技術(shù)，結(jié)合覆巖頂板的斷裂、運(yùn)動特征，建立了圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，得出小煤柱力學(xué)載荷計(jì)算公式。并根據(jù)理論計(jì)算，得出煤柱最佳留設(shè)寬度為8 m。

（2）通過數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)煤柱寬度以1 m 步距，由6 m 等間隔增加至10 m 的過程中，垂直應(yīng)力分布狀態(tài)逐漸由“單峰型”變?yōu)椤半p峰型”，而在煤柱寬度大于7 m 時煤柱內(nèi)部出現(xiàn)彈性核區(qū)，有利于煤柱穩(wěn)定性的提升。同時結(jié)合巷道圍巖控制情況，8 m 判定為最佳煤柱寬度。

（3）通過對大采高工作面沿空掘巷留煤柱現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的研究分析，當(dāng)留設(shè)煤柱寬度為8 m 時巷道圍巖變形量處于可控制狀態(tài)，巷道的穩(wěn)定性能夠滿足正常的生產(chǎn)需求。這樣不僅避免了由于煤柱留設(shè)不合理可能造成的安全和經(jīng)濟(jì)問題，也為相似條件下煤柱寬度合理留設(shè)提供了參考依據(jù)。