張少杰，王金安，吳豪偉,朱占東

(北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)用[3-14]。沿空巷道與煤柱寬度、支護(hù)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(xué)系統(tǒng)[15]。本文通過不同煤柱寬度時(shí)沿空掘巷力學(xué)場分析的基礎(chǔ)上，對沿空掘巷系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)，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(tuán)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(jī)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(jìn)，確定合理的護(hù)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(jìn)巷道，正處于支承壓力高峰區(qū)，巷道不易維護(hù)；在位置4處掘進(jìn)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(fēng)、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(hù)巷，最佳煤柱尺寸應(yīng)是在煤柱不發(fā)生裂隙向采空區(qū)漏風(fēng)、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(hù)巷煤柱位置示意圖

圖2 沿空巷道掘進(jìn)位置

3 煤體邊緣力學(xué)狀態(tài)極限平衡分析

理論研究方面，國內(nèi)外許多學(xué)者借助彈性力學(xué)建立煤體邊緣的力學(xué)平衡方程，經(jīng)過必要的簡化和假設(shè)，以及利用某種強(qiáng)度準(zhǔn)則(例如：莫爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則)確定塑性區(qū)寬度(圖3)，并獲得煤體邊緣塑性應(yīng)力區(qū)應(yīng)力分布的解析解表達(dá)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(yīng)力降低區(qū)寬度Ls=6.8m，采空區(qū)邊緣煤垂直應(yīng)力分布曲線圖如圖4所示。

圖4 采空區(qū)邊緣煤體垂直應(yīng)力分布曲線圖

4 FLAC數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型及力學(xué)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(jì)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(jì)算時(shí)分別考慮煤柱寬度為3m、5m、7m、10m共4種情況，計(jì)算過程為：①原巖應(yīng)力計(jì)算；②3504工作面回采；③掘巷。計(jì)算采用的煤、巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

圖5 計(jì)算模型圖

表1 主要巖石力學(xué)參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

4.2.1 沿空煤體應(yīng)力分析

計(jì)算結(jié)果表明，綜放開采引起的沿煤層傾斜方向的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力峰值作用位置不同(圖6)，最大垂直應(yīng)力距煤體邊緣約8m，最大水平應(yīng)力距煤體邊緣約16m。垂直應(yīng)力峰值易造成巷道頂板和煤幫變形加劇，水平應(yīng)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(qiáng)調(diào)垂直應(yīng)力峰值的作用位置，盡量避免巷道處于垂直應(yīng)力峰值區(qū)，而忽略了水平應(yīng)力峰值的影響。由于錨網(wǎng)支護(hù)沿空巷道對水平主應(yīng)力抵抗較弱，因此在沿空巷道位置選擇和煤柱寬度確定時(shí)，應(yīng)使巷道避開水平應(yīng)力峰值的位置，避免引起巷道嚴(yán)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(fù)合破壞。

圖6 采空區(qū)邊緣煤層垂直應(yīng)力和水平應(yīng)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(yīng)力分析

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

4.2.3 不同煤柱寬度時(shí)破壞區(qū)分析

不同煤柱寬度時(shí)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(shí)，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(shí)，煤柱中的剪切破壞完全貫通；煤柱寬為5m時(shí)，煤柱中的剪切破壞開始不貫通；煤柱寬度為7時(shí)，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(shí)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力曲線

圖9 3506回風(fēng)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(shí)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(shí)，巷道底板位移量最小。

圖10 不同煤柱寬度時(shí)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(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與地質(zhì)條件、煤柱寬度、支護(hù)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(jì)算結(jié)果，可對不同煤柱寬度沿空巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行分析評價(jià)。

1)當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，如煤柱寬度為5m以下甚至更小時(shí)，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(shí)可能產(chǎn)生裂隙向采空區(qū)漏風(fēng)并誘發(fā)自燃，因而此時(shí)屬于對巷道穩(wěn)定性不利的煤柱寬度。

2)當(dāng)煤柱寬度為5m和7m時(shí)，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(shí)煤柱上方的垂直壓力并不是很大。同時(shí)從傳統(tǒng)的巖石全應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)曲線知道，巖石在峰值后仍有一定的殘余強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)力和水平應(yīng)力峰值作用位置不耦合。在選擇合理的護(hù)巷煤柱寬度時(shí)，不僅要避開垂直應(yīng)力峰值區(qū)，也要注意避開水平應(yīng)力峰值區(qū)，否則可能引起嚴(yán)重底臌。

2)煤柱寬度由小變大的過程中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)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(shí)，應(yīng)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(shí)，巷道底板位移量最小。

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

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