動(dòng)壓影響巷道護(hù)巷煤柱寬度優(yōu)化技術(shù)研究

宋志清

（山西襄垣七一新發(fā)煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200）

0 引言

回采巷道的掘進(jìn)支護(hù)在煤礦開采中是關(guān)鍵一環(huán)，確定合理的煤柱寬度對回采巷道的支護(hù)、安全快速生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益等都有著很大的關(guān)系，如果煤柱寬度未達(dá)到護(hù)巷要求，在回采時(shí)會(huì)發(fā)生冒頂、片幫等安全事故，嚴(yán)重影響礦井生產(chǎn)。因此，尋找合適的煤柱寬度是非常重要的。劉金海[1]等采用微震監(jiān)測、理論計(jì)算和數(shù)值模擬等方法，確定深井特厚煤層綜放工作面?zhèn)认蛎后w不完整區(qū)寬度約為3 m，綜合確定煤柱寬度為5～7.2 m，應(yīng)用沿空巷道表面位移觀測驗(yàn)證煤柱寬度合理性；高新剛[2]等運(yùn)用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測三者結(jié)合，以常村煤礦為對象，探明了不同寬度護(hù)巷煤柱下采空側(cè)巷道圍巖變形破壞特征及側(cè)向支承壓力分布規(guī)律；奚家米[3]等采用現(xiàn)場煤體應(yīng)力測試、巷道圍巖變形測試和數(shù)值模擬結(jié)合確定煤柱尺寸，確定了該沿空掘巷煤柱留設(shè)的合理尺寸為10～12 m。李臣[6]等針對內(nèi)蒙鄂爾多斯東勝煤田的地質(zhì)條件進(jìn)行煤柱尺寸合理優(yōu)化，采用VB 和FLAC3D 等軟件對東勝煤田雙回撤通道煤柱尺寸進(jìn)行理論計(jì)算和數(shù)值模擬，得出主輔回撤通道間合理煤柱尺寸為20 m，保證了回撤工程順利；余學(xué)義[7]等在現(xiàn)場實(shí)測鉆孔探究煤體應(yīng)力的基礎(chǔ)上，借助數(shù)值模擬對煤柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化，確定亭南礦大采高雙巷布置工作面巷間煤柱合理尺寸為10 m；陳川等[8]通過數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)測等方法，以蘆溝煤礦32081 工作面為工程背景，研究松軟煤層托頂煤巷道煤柱寬度，指出6 m 煤柱寬度圍巖變形最為理想；田建設(shè)等[9]通過理論分析、數(shù)值模擬等方法，以園子溝煤礦1022101 工作面為工程背景，確定了深部高應(yīng)力雙巷布置工作面煤柱寬度，指出煤柱寬度為13～15 m 時(shí)較為合理；張杰等[10]通過理論分析、數(shù)值模擬等方法，以南梁煤礦孤島工作面區(qū)段煤柱為工程背景，指出淺埋煤層孤島工作面區(qū)段煤柱寬度為12 m 時(shí)較為合理；郭強(qiáng)等[11]通過理論分析和數(shù)值模擬等方法，以單侯礦1105N 工作面為工程背景，確定了雙巷布置工作面區(qū)段煤柱的合理寬度；趙鐵林[12]為研究特厚煤層綜放沿空掘巷煤柱尺寸，通過理論分析、數(shù)值模擬等方法，以東周窯煤礦8205 工作面為工程背景，確定了特厚煤層綜放開采沿空掘巷煤柱寬度為6 m 時(shí)可以有效控制巷道圍巖變形。

七一煤業(yè)為保證3005 工作面順槽掘進(jìn)和圍巖控制不受附近頂板支承壓力的影響，保證生產(chǎn)安全進(jìn)行，通過數(shù)值模擬對該礦3005 回采工作面運(yùn)輸順槽與北翼皮帶巷之間的煤柱尺寸進(jìn)行研究。

1 概況

3005 工作面位于三采區(qū)西部，所采煤層為山西組3 號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，煤層厚度為5.1～5.8 m，平均厚度為5.2 m，距底板1.5 m 左右有一層夾矸，平均厚度為0.2 m，巖性為炭質(zhì)泥巖。3 號(hào)煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、局部細(xì)粒砂巖，平均厚度3.17 m。底板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖中細(xì)粒砂巖，平均厚度2.90 m。3005 工作面為3003 接替工作面，運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)長度860 m，斷面為寬4.5 m，高2.65 m，斷面積11.925 m2，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。3005 工作面運(yùn)輸順槽與北翼膠帶巷間留有最小50 m、最大88 m 寬的煤柱布置，沿3 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，通過工作面轉(zhuǎn)載聯(lián)巷與北翼膠帶巷連接。

2 煤柱尺寸數(shù)值模擬研究

2.1 模型確立

3005 采區(qū)煤厚度約為5.4 m，3005 運(yùn)輸順槽沿煤層底板掘進(jìn)，巷道形狀為梯形，巷道頂板寬度3.2 m、底板寬度4.4 m，巷道高度2.65 m。巷道基本沿煤層走向布置，煤、巖層坡度較平緩，近似水平。

模擬埋深約400 m，煤層上部頂板為2 m 的頁巖，直接頂為6.5 m 砂巖；煤層下部底板主要有砂巖和炭質(zhì)頁巖等組成，模型尺寸為長×寬×高=480 m×200 m×90 m，模型4 個(gè)側(cè)面為水平移動(dòng)邊界，底部為固定邊界，模型共劃分545 920 個(gè)單元和572 852 個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中采空區(qū)模擬尺寸長×寬×高=50 m×200 m×5.4 m；巷道右側(cè)有50 m邊界。

由于巷道是深埋巷道，模型上方施加10 MPa的地層壓力，設(shè)定側(cè)壓系數(shù)λ=1.5，左右兩邊界同樣施加15 MPa 側(cè)向壓力，模型底邊界采用零位移邊界條件。為了簡化計(jì)算，每層巖層取主要巖石巖性，高于0.3 m 的巖層都?xì)w屬于厚的巖層，巖石物理力學(xué)參數(shù)取實(shí)驗(yàn)室參數(shù)的1/3。

2.2 模擬內(nèi)容

為了研究分析3005 工作面回采對北翼皮帶巷圍巖穩(wěn)定性的影響，分別模擬了3005 回采作面運(yùn)輸順槽與北翼皮帶巷之間的煤柱尺寸在30、35、40、45、50、55 m 的情況下，北翼皮帶巷彈塑性區(qū)、巷道頂板下沉量、底鼓量以及兩幫移近量的變化趨勢。

2.2.1 不同煤柱尺寸下北翼皮帶巷垂直位移分析

不同煤柱尺寸條件下，3005 工作面回采前后，北翼皮帶巷圍巖變形量及變形速度，如圖1～圖3所示。

圖1 頂板下沉量Fig.1 Roof falling capacity

圖2 底鼓量Fig.2 Floor heave amount

圖3 頂?shù)装逦灰扑俣菷ig.3 Displacement velocity of roof and floor

（1） 9 步時(shí)之前為3005 工作面未回采前，此時(shí)皮帶巷頂板下沉量基本一致，約130 mm；9 步時(shí)之后即工作面回采后，煤柱30、35、40、45、50、55 m 時(shí)，巷道頂板下沉量基本上都在35 步時(shí)達(dá)到了平衡，位移量分別是446、350、300、247、198、162 mm?？梢钥闯霎?dāng)煤柱大于50 m 后，頂板下沉量明顯減小。

（2） 9 步時(shí)之前為3005 工作面未回采前，此時(shí)皮帶巷底鼓量基本一致，約360 mm；在9 步時(shí)之后即工作面回采后，煤柱30、35、40、45、50、55 m 時(shí)，巷道底鼓量基本上都在20 步時(shí)達(dá)到平衡，位移量分別是546、512、488、468、418、407 mm?？梢钥闯霎?dāng)煤柱大于50 m 時(shí)，底鼓量明顯減小。

（3） 9 步時(shí)之前為3005 工作面未回采前，此時(shí)皮帶巷頂?shù)装逡平俣然疽恢?，速度先增大后減小，最大可達(dá)78 mm/步時(shí)，在9 步時(shí)之后即工作面回采后，煤柱30、35、40、45、50、55 m 時(shí)，巷道頂?shù)装宓淖冃位旧隙荚?2～30 步時(shí)達(dá)到了勻速變形平衡，位移量分別是16、21、19、26、7、8 mm/步時(shí)?？梢钥闯霎?dāng)煤柱大于50 m 時(shí)，頂?shù)装逡平俣让黠@減小，最終在26 時(shí)步之后達(dá)到了平衡。

2.2.2 不同煤柱尺寸下北翼皮帶巷水平位移分析

不同煤柱尺寸條件下，3005 工作面回采前后，北翼皮帶巷圍巖水平位移如圖4～圖6所示，9 步時(shí)之前為工作面未回采時(shí)，9 步時(shí)之后為工作面回采后。

圖4 左幫位移量Fig.4 Displacement of left side

圖5 右?guī)臀灰屏縁ig.5 Displacement of right side

圖6 兩幫移近速度Fig.6 Approaching speed of two sides

（1） 工作面未回采時(shí)，皮帶巷左幫位移量基本一致，約210 mm，工作面回采后，在煤柱30、35、40、45、50、55 m 時(shí)，巷道左幫變形基本上都在35 步時(shí)達(dá)到了平衡，位移量分別是340、335、320、333、320、270 mm?？梢钥闯霎?dāng)煤柱大于55 m 時(shí)，左幫位移量明顯減小。

（2） 工作面未回采時(shí)，皮帶巷左幫的位移量基本一致，約240 mm，工作面回采后，在煤柱30、35、40、45、50、55m 時(shí)，巷道右?guī)偷淖冃位旧隙荚?5 步時(shí)達(dá)到了平衡，位移量分別是446、425、388、408、351、351 mm?？梢钥闯霎?dāng)煤柱大于50 m 時(shí)，右?guī)偷奈灰屏棵黠@減小。

（3） 工作面未回采時(shí)，皮帶巷兩幫移近量基本一致，速度先增大后減小，最大可達(dá)76 mm/步時(shí)，工作面回采后，在煤柱30、35、40、45、50、55 m 時(shí)，巷道右?guī)偷淖冃位旧隙荚?2～30 步時(shí)達(dá)到勻速變形平衡，位移量分別是16、21、19、26、7、8 mm/ 步時(shí)。可以看出當(dāng)煤柱大于50 m時(shí)，兩幫移近速度明顯減小，最終在32 時(shí)步之后均達(dá)到了平衡。

2.3 模擬結(jié)果

結(jié)合煤柱尺寸理論分析結(jié)果可知，七一新發(fā)煤業(yè)3005 工作面運(yùn)輸順槽與北翼皮帶巷之間留設(shè)的煤柱寬度不得小于40 m；綜合不同煤柱尺寸條件下，北翼皮帶巷的垂直位移和水平位移的數(shù)值模擬結(jié)果，煤柱尺寸小于50 m 時(shí)，北翼皮帶巷受3005工作面的采動(dòng)影響較為明顯；煤柱尺寸大于50 m后，3005 工作面開采對北翼皮帶巷圍巖穩(wěn)定性影響較?。唤Y(jié)合已有的類似地質(zhì)條件下護(hù)巷煤柱尺寸的研究結(jié)果，厚煤層護(hù)巷煤柱尺寸普遍大于25 m，有些情況下甚至達(dá)到了60 m 以上。為確保北翼皮帶巷在服務(wù)期內(nèi)能盡量少修或者不修，綜合考慮后確定3005 工作面運(yùn)輸順槽與北翼皮帶巷之間煤柱凈尺寸不得小于50 m。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證煤柱寬度的合理性，在北翼皮帶巷與3005 工作面運(yùn)輸順槽最近的地方設(shè)置了一個(gè)巷道圍巖監(jiān)測測站，對巷道圍巖收斂進(jìn)行監(jiān)測，圖7為測站頂、底板及兩幫圍巖移近量隨時(shí)間變形量趨勢圖。

圖7 測站巷道表面位移變化Fig.7 Displacement change of station roadway surface

由圖7可知，在工作面回采后的14 d 內(nèi)，巷道兩幫、頂?shù)装鍑鷰r變形速率處于最大值，平均變形速率分別為14.35 mm/d 和13.31 mm/d；14 d之后，巷道變形持續(xù)增加，但整體變形速率變緩。在32 d 左右巷道變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷幫圍巖變形比頂?shù)装遄冃畏却?，且頂?shù)装遄冃紊晕笥趦蓭妥冃?，頂、底板移近量穩(wěn)定在215.5 mm，兩幫收斂量穩(wěn)定在281.7 mm，圍巖變化趨于穩(wěn)定，可見確定的護(hù)巷煤柱寬度保證了北翼皮帶巷的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1） 臨近工作面回采對現(xiàn)有巷道圍巖穩(wěn)定性的影響程度，直接取決于兩者之間煤柱尺寸的大小。采用數(shù)值模擬方法研究了北翼皮帶巷與3005工作面運(yùn)輸順槽之間的煤柱寬度尺寸，確定兩者之間煤柱寬度至少為50 m。

（2） 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)證明，確定的北翼皮帶巷最佳護(hù)巷煤柱寬度50 m，保證了北翼皮帶巷在3005 工作面回采期間的穩(wěn)定，驗(yàn)證煤柱尺寸的合理性。