崔廷鋒，張緒剛，楊志遠(yuǎn)

(1. 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中煤一建四處，江蘇 徐州221163；3. 冀中能源張礦集團(tuán)蔚縣聯(lián)豐礦業(yè)有限公司，河北 張家口 075700)

護(hù)巷煤柱寬度是礦井開(kāi)拓和工作面回采的重要參數(shù)，護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性直接影響到巷道的使用效率和維護(hù)成本、工作面的正常生產(chǎn)和安全管理以及煤炭的采出率。對(duì)于回采巷道的護(hù)巷煤柱而言，其寬度越大，對(duì)巷道的穩(wěn)定性維護(hù)越有利，但會(huì)直接降低煤炭資源的采出率。這一矛盾在大采高工作面更值得關(guān)注。因此，兼顧巷道穩(wěn)定性維護(hù)和煤炭采出率，研究大采高工作面回采巷道護(hù)巷煤柱的確定方法顯得尤為重要。本文以康河煤礦6103大采高工作面為研究對(duì)象，通過(guò)理論計(jì)算和模擬分析，確定了護(hù)巷煤柱的合理寬度，為大采高工作面安全高效生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

1 工作面概況

康河煤礦6103工作面位于6#煤層，處于石炭系上統(tǒng)太原組第二巖段上部，工作面長(zhǎng)度200m，推進(jìn)長(zhǎng)度1500m。6#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤類(lèi)單一，整個(gè)工作面煤層穩(wěn)定，平均厚度5.1m；煤層傾角0～3°，硬度系數(shù)f0=2.5，密度1.28t/m3；煤層埋深180～220m。直接頂和直接底均為砂質(zhì)泥巖，厚度分別是3m和2.5m，基本頂為粗砂巖，厚度10m，基本底為粉砂巖，厚度6m。工作面采用雙巷布置，如圖1所示。采高4.5m，循環(huán)進(jìn)尺0.85m；工作面采用一次采全高采煤方法，全部垮落法頂板管理方式。

1—6103工作面；2—護(hù)巷煤柱；3—6103工作面運(yùn)輸巷；4—6105工作面回風(fēng)巷；5—聯(lián)絡(luò)巷

2 理論計(jì)算

合理護(hù)巷煤柱設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，它受開(kāi)采深度、煤層厚度、巷道高度和煤巖層的力學(xué)性質(zhì)等諸多因素影響[1-2]，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一種能適應(yīng)不同條件的完善的設(shè)計(jì)理論和方法。目前國(guó)內(nèi)外確定護(hù)巷煤柱寬度常用的理論計(jì)算方法主要有載荷估算法和塑性理論計(jì)算法三種。

2.1 載荷估算法

根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究資料，護(hù)巷煤柱所承受的載荷是由煤柱上覆巖層重量及一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)上覆巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量引起的[3-4]，如圖2所示。

圖2 煤柱載荷計(jì)算示意圖

則煤柱上覆巖層的總載荷P為：

P=[(B+D)×H-0.25D2cotδ]γ

(1)

式(1)中B為煤柱寬度，m；D為采空區(qū)寬度，200m；H為巷道埋深，取200m；δ為采空區(qū)上覆巖層垮落角，30°；γ為上覆巖層平均體積力，根據(jù)地質(zhì)資料，取2.5×104kN/m3；

確定了煤柱上覆載荷，則煤柱單位面積的平均載荷，即平均應(yīng)力為：

(2)

煤柱的寬度必須保證煤柱的極限載荷σ不超過(guò)它的極限強(qiáng)度R，極限強(qiáng)度R的計(jì)算公式為：

(3)

式中R為煤柱強(qiáng)度，MPa；Rc為煤的單軸抗壓強(qiáng)度，25MPa；h為煤柱高度，3.5m；

則必須滿足有：

(4)

將各參數(shù)代入式4，計(jì)算得B1≥17.2m。

2.2 塑性理論計(jì)算

護(hù)巷煤柱一側(cè)為回采空間，一側(cè)為采準(zhǔn)巷道?；夭煽臻g和采準(zhǔn)巷道在護(hù)巷煤柱兩側(cè)形成各自的塑性變形區(qū)[3-4]，塑性區(qū)的寬度分別為x0、x1，如圖3所示。

圖3 煤柱的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布

因此，護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核，彈性核的寬度應(yīng)不小于煤層開(kāi)采高度的2倍。目前，在護(hù)巷煤柱問(wèn)題的研究中，煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度一般表示為：

B=x0+2M+x1

(5)

式中B為煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度，m；x0為采空區(qū)在護(hù)巷煤柱一側(cè)形成的塑性區(qū)寬度，m；M為采高，2M為彈性核寬度，m；x1為巷道在護(hù)巷煤柱另一側(cè)形成的塑性區(qū)寬度，m。

運(yùn)用巖體的極限平衡理論，采空區(qū)形成的塑性區(qū)寬度x0為：

(6)

將各參數(shù)代入式6，計(jì)算得x0=4.07m。

同樣地，運(yùn)用極限平衡理論，巷道形成的塑性區(qū)寬度x1為[5]：

(7)

將各參數(shù)代入式7，計(jì)算得x1=4.3m。

將計(jì)算的x0、x1和采高M(jìn)代入式5，計(jì)算得：B2=4.07+2×4.5+4.3=17.37m

因此，通過(guò)以上兩種理論計(jì)算，護(hù)巷煤柱的寬度基本確定在18m。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

選取非連續(xù)介質(zhì)模型的離散元數(shù)值計(jì)算軟件UDEC 3.0(Universal Distinct Element Code)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同寬度保護(hù)煤柱對(duì)回采巷道圍巖變形量的影響。

3.1 建立模型

根據(jù)地質(zhì)條件，簡(jiǎn)化后建立平面模型，模型尺寸(寬×高)200m×46.5m，上邊界載荷按采深200m計(jì)算，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。煤體劃分為1m×1.5m塊體，直接頂劃分為1m×2m塊體，基本頂劃分為5m×10m的塊體，直接底劃分為1.25m×4m塊體，建立的數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示。

1-6103工作面；2-6105工作面；3保護(hù)煤柱；4-6103工作面運(yùn)輸巷；5-6105工作面回風(fēng)巷 a-基本底；b-直接底；c-煤層；d-直接頂；e-基本頂；f-上覆巖層

回采巷道寬×高為5m×3.5m，塑料網(wǎng)、錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，基本支護(hù)參數(shù)：頂部錨桿為Φ20mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，樹(shù)脂藥卷錨固，錨深2.15m；頂部錨索為Φ15.24mm的鋼絞線，錨固深度7m；幫部錨桿為Φ18mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，樹(shù)脂藥卷錨固，錨深1.95m。計(jì)算時(shí)考慮留設(shè)不同寬度的煤柱對(duì)回采巷道變形的影響，選取的煤柱寬度分別為6m、10m、14m、16m、18m、20m、22m、26m和30m。數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程為：建立模型→原巖應(yīng)力計(jì)算→掘巷支護(hù)→應(yīng)力平衡→工作面回采→工作面采動(dòng)影響計(jì)算。各巖層巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

圖5為不同煤柱寬度下巷道的變形量繪制出的曲線，可以看出：總體關(guān)系是隨著煤柱寬度的增加，圍巖變形量逐漸減小。在煤柱寬度小于18m區(qū)域，隨煤柱寬度的增加，圍巖變形量減小幅度較大；在煤柱寬度大于18m區(qū)域，圍巖變形量隨煤柱寬度增加也有所減小，但變化量很小，說(shuō)明增大煤柱寬度對(duì)改進(jìn)巷道支護(hù)效果影響不大，此時(shí)對(duì)巷道變形量起主導(dǎo)作用的是巷道的支護(hù)體系?？紤]經(jīng)濟(jì)效益，確定護(hù)巷煤柱的寬度為18m。

圖5 圍巖變形量與煤柱寬度關(guān)系曲線

4 工程實(shí)踐

通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬，確定回采巷道護(hù)巷煤柱寬度為18m。在康河煤礦6103工作面開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)寬度為18m的煤柱的穩(wěn)定性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，結(jié)果表明：巷道基本穩(wěn)定，未進(jìn)行大的維護(hù)，圍巖變形量較小，能保證回采工作的安全進(jìn)行。這說(shuō)明煤柱的留設(shè)是合理、可行的，同時(shí)反映出理論計(jì)算及模擬結(jié)果與實(shí)際情況較吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

大采高工作面回采巷道護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性直接影響著巷道的維護(hù)效果，進(jìn)而關(guān)系到工作面安全生產(chǎn)的進(jìn)行。以康河煤礦6103大采高工作面為研究對(duì)象，通過(guò)載荷估算、塑性理論計(jì)算和數(shù)值模擬計(jì)算，得出了安全合理的護(hù)巷煤柱寬度，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，論證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供了技術(shù)支持，也為類(lèi)似條件下大采高工作面護(hù)巷煤柱寬度的確定提供了理論依據(jù)。

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