張少杰，王金安，吳豪偉,朱占東

(北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

綜放開采沿空掘巷技術(shù)有利于提高煤炭資源的利用率和減小巷道的維修量[1-2]，在煤礦生產(chǎn)中得到廣泛應用[3-14]。沿空巷道與煤柱寬度、支護措施、開采方式等工程地質(zhì)條件組成了一個特殊的巖石力學系統(tǒng)[15]。本文通過不同煤柱寬度時沿空掘巷力學場分析的基礎(chǔ)上，對沿空掘巷系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了評價，確定了綜放開采合理煤柱的留設(shè)寬度。

1 概況

華亭煤業(yè)集團新柏煤礦地處甘肅省安口-新窯煤田的中部，屬低瓦斯礦井。井田呈單斜構(gòu)造，煤層平均傾角17°?；夭擅簩悠骄穸?1.5m，采用傾斜單一走向長壁綜合機械化低位放頂煤采煤法，3506工作面走向長度1129m，傾向斜距116m，煤層平均傾角17°。3504工作面和3506工作面相鄰(圖1)。目前，3504工作面接近開采完畢，3506工作面順槽即將開始掘進，確定合理的護巷煤柱寬度對于提高煤炭回采率和沿空巷道的穩(wěn)定性具有重要的研究意義。

2 沿空掘巷的最佳位置

沿空巷道可能的送巷位置有4種(圖2)：在位置3掘進巷道，正處于支承壓力高峰區(qū)，巷道不易維護；在位置4處掘進巷道，煤柱損失比較大。在位置1處，無煤柱巷道能充分開采煤炭資源，但存在巷道通風、上區(qū)段采場采空區(qū)殘煤自燃等不利因素。因此沿空掘巷的最佳位置為位置2所示的小煤柱護巷，最佳煤柱尺寸應是在煤柱不發(fā)生裂隙向采空區(qū)漏風、不誘發(fā)自燃的條件下的最小煤柱尺寸。

圖1 3506工作面與護巷煤柱位置示意圖

圖2 沿空巷道掘進位置

3 煤體邊緣力學狀態(tài)極限平衡分析

理論研究方面，國內(nèi)外許多學者借助彈性力學建立煤體邊緣的力學平衡方程，經(jīng)過必要的簡化和假設(shè)，以及利用某種強度準則(例如：莫爾-庫侖強度準則)確定塑性區(qū)寬度(圖3)，并獲得煤體邊緣塑性應力區(qū)應力分布的解析解表達式[10]。

圖3 煤層邊緣極限平衡區(qū)煤體受力分析簡圖

(1)

(2)

由式(1)和式(2)求得煤體邊緣的塑性區(qū)寬度Lp=8.9m；煤體邊緣的應力降低區(qū)寬度Ls=6.8m，采空區(qū)邊緣煤垂直應力分布曲線圖如圖4所示。

圖4 采空區(qū)邊緣煤體垂直應力分布曲線圖

4 FLAC數(shù)值模擬

4.1 計算模型及力學參數(shù)

根據(jù)3506工作面的地質(zhì)條件，建立如圖5所示的計算模型，該模型采用平行四邊形，寬241m，高200m。模型兩側(cè)限制水平方向移動，模型底邊限制水平方向和垂直方向移動，模型上部根據(jù)埋深施加垂直載荷(圖5)。計算時分別考慮煤柱寬度為3m、5m、7m、10m共4種情況，計算過程為：①原巖應力計算；②3504工作面回采；③掘巷。計算采用的煤、巖體力學參數(shù)見表1。

圖5 計算模型圖

表1 主要巖石力學參數(shù)

4.2 計算結(jié)果及分析

4.2.1 沿空煤體應力分析

計算結(jié)果表明，綜放開采引起的沿煤層傾斜方向的垂直應力和水平應力峰值作用位置不同(圖6)，最大垂直應力距煤體邊緣約8m，最大水平應力距煤體邊緣約16m。垂直應力峰值易造成巷道頂板和煤幫變形加劇，水平應力峰值易引起巷道底臌。在對沿空煤體的傳統(tǒng)研究中，一般強調(diào)垂直應力峰值的作用位置，盡量避免巷道處于垂直應力峰值區(qū)，而忽略了水平應力峰值的影響。由于錨網(wǎng)支護沿空巷道對水平主應力抵抗較弱，因此在沿空巷道位置選擇和煤柱寬度確定時，應使巷道避開水平應力峰值的位置，避免引起巷道嚴重底臌。

采空區(qū)邊緣煤巖體的塑性區(qū)分布如圖7所示。破壞性質(zhì)主要為剪切破壞，煤體中最大塑性區(qū)寬度為5.4m。在老頂巖層中出現(xiàn)拉剪復合破壞。

圖6 采空區(qū)邊緣煤層垂直應力和水平應力曲線

圖7 采空區(qū)邊緣煤巖體的塑性區(qū)分布

4.2.2 煤柱內(nèi)應力分析

當煤柱寬度不同時，即當巷道位置至采空區(qū)煤體邊緣的距離發(fā)生變化時，煤柱內(nèi)的應力分布發(fā)生改變。圖8分別給出煤柱寬度為3m、5m、7m、10m時煤柱內(nèi)垂直應力分布的計算結(jié)果。從中可以看出，煤柱寬度不同時垂直應力的形狀變化規(guī)律：煤柱寬3m和5m時為“緩丘形”；煤柱寬7m和10m時為“非對稱單峰形”。煤柱寬度由3m變化到10m時，應力峰值逐漸增大。

4.2.3 不同煤柱寬度時破壞區(qū)分析

不同煤柱寬度時破壞區(qū)對比如圖9所示。從中可以看出，在煤柱由小變大時，煤柱中的剪切破壞區(qū)域由貫通變?yōu)椴回炌āＣ褐鶎挾葹?m時，煤柱中的剪切破壞完全貫通；煤柱寬為5m時，煤柱中的剪切破壞開始不貫通；煤柱寬度為7時，煤柱中的剪切破壞不再貫通。因此，從煤柱中的剪切破壞區(qū)域是否貫通，可以確定煤柱的合理寬度為7m左右。

圖8 不同煤柱寬度時煤柱內(nèi)垂直應力曲線

圖9 3506回風巷受采動影響后不同煤柱寬度破壞區(qū)對比

4.2.4 巷道變形分析

圖10為不同煤柱寬度時巷道周邊位移對比。從圖中可以看出，隨著煤柱寬度的增大，巷道上幫和頂板的位移量逐漸減小，巷道下幫的位移量變化不明顯。煤柱寬7m時，巷道底板位移量最小。

圖10 不同煤柱寬度時巷道周邊位移對比

5 合理煤柱寬度的綜合分析

沿空巷道巖石力學系統(tǒng)的穩(wěn)定性與地質(zhì)條件、煤柱寬度、支護措施、開采方式等多種因素有關(guān)。但煤柱的穩(wěn)定是確保沿空巷道系統(tǒng)穩(wěn)定的前提。根據(jù)上述計算結(jié)果，可對不同煤柱寬度沿空巷道的穩(wěn)定性進行分析評價。

1)當煤柱寬度較小時，如煤柱寬度為5m以下甚至更小時，由于煤柱太窄，即使在煤柱兩側(cè)施加一定的加固約束措施也難以維持其整體性，容易被壓垮，同時可能產(chǎn)生裂隙向采空區(qū)漏風并誘發(fā)自燃，因而此時屬于對巷道穩(wěn)定性不利的煤柱寬度。

2)當煤柱寬度為5m和7m時，雖然煤柱在綜放開采過程中遭受過峰值壓力的作用，也產(chǎn)生了塑性屈服，但此時煤柱上方的垂直壓力并不是很大。同時從傳統(tǒng)的巖石全應力應變實驗曲線知道，巖石在峰值后仍有一定的殘余強度。因此，對于寬度為5m和7m煤柱，在煤柱兩側(cè)施加一定的加固約束措施并依靠煤柱的殘余強度，仍可保持煤柱穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

1)沿空煤體沿傾斜方向垂直應力和水平應力峰值作用位置不耦合。在選擇合理的護巷煤柱寬度時，不僅要避開垂直應力峰值區(qū)，也要注意避開水平應力峰值區(qū)，否則可能引起嚴重底臌。

2)煤柱寬度由小變大的過程中，煤柱內(nèi)垂直應力分布曲線形狀變化規(guī)律為：“緩丘形”和“非對稱單峰形”。煤柱寬度由3m變化到10m時，應力峰值逐漸增大。

3)煤柱寬度由小變大的過程中，煤柱中的剪切破壞區(qū)域由貫通變?yōu)椴回炌ā?/p>

4)煤柱寬度由小變大的過程中，巷道上幫和頂板的位移量逐漸減小，煤柱寬7m時，巷道底板位移量最小。

綜上所述，沿空巷道系統(tǒng)的合理護巷煤柱寬度為煤柱中的垂直應力不大，剪切破壞不再貫通，巷道底臌量較小時的寬度。

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