蔣力帥，劉洪濤，連小勇，張衛(wèi)偉

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

式中，Vp為煤體的縱波速度;Vs為橫波速度;E為彈性模量;μ為泊松比;ρ為煤體重力密度。

測(cè)定巷幫松動(dòng)圈可以為合理煤柱寬度的數(shù)值模擬及理論計(jì)算提供實(shí)際依據(jù)。為此，在昌漢溝礦203工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行了巷幫松動(dòng)圈測(cè)試，測(cè)點(diǎn)分別距掘進(jìn)工作面20m，30m，40m，測(cè)試鉆孔處于巷道的兩幫腰線位置，孔深4m，直徑42mm。203進(jìn)風(fēng)巷與202運(yùn)輸巷之間為護(hù)巷煤柱。

203進(jìn)風(fēng)巷受掘進(jìn)影響期間，隨著與掘進(jìn)頭距離的增加，松動(dòng)圈范圍有增大的趨勢(shì)。進(jìn)風(fēng)巷煤柱幫的松動(dòng)圈為 0.9～1.1m，實(shí)體煤幫為 0.8～1.0m，煤柱幫的松動(dòng)范圍略大于實(shí)體煤幫，松動(dòng)圈范圍不大，見(jiàn)表2。實(shí)測(cè)分析表明，淺埋中厚煤層礦山壓力較低，巷道礦壓顯現(xiàn)較小，目前采用20m的護(hù)巷煤柱明顯偏大，應(yīng)該研究提出合理煤柱寬度。

青年論壇

淺埋中厚煤層護(hù)巷煤柱合理寬度研究

蔣力帥，劉洪濤，連小勇，張衛(wèi)偉

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

針對(duì)淺埋、中厚煤層的工程背景，采用實(shí)測(cè)分析、數(shù)值模擬、理論計(jì)算等方法，研究了護(hù)巷煤柱的礦山壓力特征，確定了煤柱合理寬度。研究表明:淺埋中厚煤層礦山壓力較小，巷道礦壓顯現(xiàn)較輕，煤柱寬度15～25m時(shí)，兩側(cè)采動(dòng)應(yīng)力未明顯疊加，彈性核寬度較大;當(dāng)煤柱寬度小于10m時(shí)，兩側(cè)采動(dòng)應(yīng)力疊加嚴(yán)重，彈性核寬度較小;開(kāi)采深度80m，120m，160m時(shí)，煤柱合理寬度分別為12m，13m，14m。

淺埋深;護(hù)巷煤柱;煤柱寬度;應(yīng)力分布

護(hù)巷煤柱寬度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性、資源采出率、經(jīng)濟(jì)效益等都有著十分顯著的影響，確定煤柱寬度是巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的重要部分［1］。為了實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)采，神東煤炭集團(tuán)公司回采巷道普遍采用雙巷掘進(jìn)和維護(hù)方式，相鄰工作面回采巷道之間留設(shè)煤柱。在昌漢溝煤礦淺埋深、中厚煤層地質(zhì)條件下，礦山壓力及護(hù)巷煤柱合理寬度有其自身的特點(diǎn)［2］。針對(duì)昌漢溝礦4－1上煤層地質(zhì)條件，采用實(shí)測(cè)分析、數(shù)值模擬、理論計(jì)算等方法，研究了護(hù)巷煤柱的合理寬度，為優(yōu)化四煤組的巷道布置提供了依據(jù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 工程地質(zhì)條件

神東集團(tuán)昌漢溝煤礦地處鄂爾多斯地區(qū)，可采煤層為9層，除5－1煤層外，其余煤層厚度大部分在2.2m以下，約占井田儲(chǔ)量的69.4%。四煤組的4－1上，4－1，4－2中三個(gè)煤層均為中厚煤層，可采厚度分別為0.80～5.05m，0.80～5.23m，0.89～2.86m，平均可采厚度分別為1.94m，2.11m，1.78m，可采范圍內(nèi)煤層厚度一般為1.7～2.2m，煤層地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，傾角平緩，一般小于3°。4煤組處于淺部侏羅紀(jì)煤系地層，煤層埋藏淺，埋藏深度大多數(shù)在80～150m。

4－1上煤層201工作面煤層厚度1.7～2.4m，埋深35～90m，屬于淺埋煤層。采用TYGD10型巖層鉆孔探測(cè)儀對(duì)201工作面及相鄰的202工作面進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行的頂板探測(cè)表明，直接頂為細(xì)砂巖，厚度0.7～4.9m，平均1.8m;基本頂為中粒砂巖，厚度1.9～7.1m，平均5.4m。頂板中含有多層薄的泥巖夾層，水平節(jié)理發(fā)育。煤層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。頂板巖性在觀測(cè)孔深范圍內(nèi)為細(xì)砂巖和中粒砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，固結(jié)度差。采用XP－Y型偏光顯微鏡分析了含煤巖系的巖石學(xué)特征，表明昌漢溝礦區(qū)沉積巖的結(jié)構(gòu)成熟度及成分成熟度較低。4－1上煤層回采巷道采用雙巷掘進(jìn)和維護(hù)方式，護(hù)巷煤柱寬度為20m，長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤。

表1 煤巖力學(xué)參數(shù)

2 巷道礦壓顯現(xiàn)實(shí)測(cè)分析

在201工作面開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)202工作面進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行了頂板深基點(diǎn)位移及錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)，如圖1所示，頂板深基點(diǎn)位移測(cè)點(diǎn)布置在距工作面50m，100m，150m，200m處，錨桿錨索受力測(cè)點(diǎn)布置在距工作面100m，200m，300m處。圖中圓點(diǎn)表示在巷道兩幫距底板1.5m位置各打一個(gè)孔深4m、孔徑27mm的幫孔，安設(shè)斷面深基點(diǎn)觀測(cè)站。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在受201工作面采動(dòng)影響的130～180d內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)的頂板下沉量為2.6～37.1mm，平均17.2mm;錨桿錨索受力都在初錨力的水平上，呈現(xiàn)水平穩(wěn)定趨勢(shì)。巷道變形量小，完整性較好。

圖1 202進(jìn)風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)布置

圍巖松動(dòng)圈大小是反映巷道穩(wěn)定性的綜合指標(biāo)，松動(dòng)圈測(cè)試實(shí)質(zhì)上是應(yīng)用超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度的不同來(lái)預(yù)測(cè)圍巖的破壞情況，當(dāng)煤體的尺寸較小、作用外力較小時(shí)，相應(yīng)變形也較小。根據(jù)超聲波縱波波速與介質(zhì)的彈性參數(shù)之間的關(guān)系式(1)和式 (2)可以看出超聲波在煤體中的傳播速度與煤體的彈性模量、泊松比以及密度有關(guān)，而煤體的彈性模量、泊松比和密度與煤塊自身抗壓強(qiáng)度、密實(shí)程度直接相關(guān)，因此煤體的波速就可以間接反映煤塊抗壓強(qiáng)度以及內(nèi)部破壞情況，通過(guò)回采巷道兩幫不同深度處聲時(shí)和波速的變化規(guī)律，可以確定巷道周?chē)鷩鷰r的松動(dòng)圈大小。

式中，Vp為煤體的縱波速度;Vs為橫波速度;E為彈性模量;μ為泊松比;ρ為煤體重力密度。

測(cè)定巷幫松動(dòng)圈可以為合理煤柱寬度的數(shù)值模擬及理論計(jì)算提供實(shí)際依據(jù)。為此，在昌漢溝礦203工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行了巷幫松動(dòng)圈測(cè)試，測(cè)點(diǎn)分別距掘進(jìn)工作面20m，30m，40m，測(cè)試鉆孔處于巷道的兩幫腰線位置，孔深4m，直徑42mm。203進(jìn)風(fēng)巷與202運(yùn)輸巷之間為護(hù)巷煤柱。

203進(jìn)風(fēng)巷受掘進(jìn)影響期間，隨著與掘進(jìn)頭距離的增加，松動(dòng)圈范圍有增大的趨勢(shì)。進(jìn)風(fēng)巷煤柱幫的松動(dòng)圈為 0.9～1.1m，實(shí)體煤幫為 0.8～1.0m，煤柱幫的松動(dòng)范圍略大于實(shí)體煤幫，松動(dòng)圈范圍不大，見(jiàn)表2。實(shí)測(cè)分析表明，淺埋中厚煤層礦山壓力較低，巷道礦壓顯現(xiàn)較小，目前采用20m的護(hù)巷煤柱明顯偏大，應(yīng)該研究提出合理煤柱寬度。

表2 203進(jìn)風(fēng)平巷松動(dòng)圈

3 煤柱塑性破壞區(qū)及應(yīng)力分布情況研究

3.1 數(shù)值模擬方案

以4－1上煤層條件為基礎(chǔ)，采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件模擬雙巷掘進(jìn)、煤柱護(hù)巷方式的采動(dòng)影響，分析不同煤柱寬度條件下護(hù)巷煤柱的塑性區(qū)與應(yīng)力分布，優(yōu)化煤柱的合理寬度。如圖2所示，三維數(shù)值計(jì)算模型長(zhǎng)270m，寬250m，高50m，共44225單元塊，48360個(gè)節(jié)點(diǎn)，201回風(fēng)巷與202進(jìn)風(fēng)巷采用雙巷掘進(jìn)，煤柱寬度分別為 25m，20m，15m，10m，8m，模擬201工作面開(kāi)采 (一次采動(dòng)影響)和202工作面開(kāi)采 (二次采動(dòng)影響)的煤柱塑性區(qū)范圍和支承壓力分布規(guī)律。

3.2 護(hù)巷煤柱的塑性區(qū)寬度

護(hù)巷煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)寬度是計(jì)算煤柱合理寬度的主要依據(jù)。在01工作面開(kāi)采后，02工作面開(kāi)采時(shí)煤壁剖面上的塑性區(qū)分布如圖3所示?？梢?jiàn)，當(dāng)煤柱寬度為25m，20m，15m時(shí)，煤柱塑性區(qū)寬度在01工作面一側(cè)為2m，在02工作面一側(cè)為1m，煤柱中部的彈性核寬度較大;當(dāng)煤柱寬度為10m，8m時(shí)，煤柱塑性區(qū)寬度在01工作面一側(cè)發(fā)展到3m，在02工作面一側(cè)發(fā)展到2m，煤柱中部的彈性核寬度已經(jīng)比較小。在煤柱寬度較小時(shí)，由于兩側(cè)采動(dòng)應(yīng)力疊加，煤柱塑性區(qū)范圍有所擴(kuò)大。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型及剖面

圖3 煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)

煤柱20m時(shí)，實(shí)測(cè)得到巷道掘進(jìn)影響后煤柱幫的松動(dòng)圈為0.9～1.1m，數(shù)值模擬得到采動(dòng)影響后的塑性區(qū)寬度為1.0～1.5m，說(shuō)明所進(jìn)行的數(shù)值模擬能夠較好地反映煤柱的力學(xué)狀態(tài)。

3.3 護(hù)巷煤柱的應(yīng)力分布

護(hù)巷煤柱的應(yīng)力分布特征可以反映煤柱的穩(wěn)定性。在01工作面開(kāi)采后，02工作面開(kāi)采時(shí)煤壁剖面上的煤柱區(qū)的應(yīng)力分布如圖4，圖5所示。

圖4 煤柱應(yīng)力分布

圖5 煤柱支承壓力分布

可見(jiàn)，當(dāng)煤柱寬度為25m，20m，15m時(shí)，由于煤柱寬度較大，煤柱上的高應(yīng)力集中主要在靠近01工作面的一側(cè)，02工作面一側(cè) (被保護(hù)巷道一側(cè))的應(yīng)力集中程度并不太高，沒(méi)有形成兩側(cè)采動(dòng)應(yīng)力疊加現(xiàn)象。當(dāng)煤柱寬度減小到10m，8m時(shí)，兩側(cè)采動(dòng)應(yīng)力疊加，整個(gè)煤柱上的應(yīng)力集中程度都比較高，煤柱塑性區(qū)范圍擴(kuò)大，對(duì)被保護(hù)巷道的穩(wěn)定性有一定影響。煤柱支承壓力峰值分別為11.32 MPa，11.4MPa，11.63MPa，11.8MPa，11.9MPa，應(yīng)力集中系數(shù)分別為 3.77，3.8，3.88，3.93，3.97。

根據(jù)不同煤柱寬度條件下塑性區(qū)和應(yīng)力分布變化規(guī)律，分析得出昌漢溝煤礦淺埋中厚煤層護(hù)巷煤柱的合理寬度為10～15m。

4 護(hù)巷煤柱合理寬度的確定

護(hù)巷煤柱一側(cè)為回采空間，一側(cè)為回采巷道?；夭煽臻g和回采巷道在護(hù)巷煤柱兩側(cè)形成各自的塑性變形區(qū)，塑性區(qū)寬度分別為x0，x1，見(jiàn)圖6。

圖6 煤柱的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布

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。護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度B為:

式中，x0為護(hù)巷煤柱在采空區(qū)一側(cè)的塑性區(qū)寬度，m;M為采高，2M為彈性核寬度，m;x1為護(hù)巷煤柱在巷道一側(cè)的塑性區(qū)寬度，m。

由于護(hù)巷煤柱的巷道一側(cè)也將形成采空區(qū)，兩側(cè)采空后塑性區(qū)寬度基本接近，x0=x1，這樣計(jì)算煤柱寬度有一定的安全系數(shù)。運(yùn)用巖體的極限平衡理論［3－5］，塑性區(qū)寬度x0和x1為:

根據(jù)昌漢溝礦煤層條件，應(yīng)力集中系數(shù)K取4.0;支架對(duì)煤幫的阻力P取為0;M為采高，由于煤層采高與巷道高度不同，考慮開(kāi)采的綜合影響，取采高與巷道高度的均值;H為采深，m;C為煤體黏聚力，通常為煤體試樣黏聚力的0.45～0.75;φ為煤體內(nèi)摩擦角;f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)，取0.25;ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，ξ=(1+ sinφ)/(1－sinφ)。

根據(jù)昌漢溝礦煤層物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定，計(jì)算煤柱合理寬度見(jiàn)表3?？梢?jiàn)，在開(kāi)采深度H為80m，120m，160m的條件下，護(hù)巷煤柱的合理寬度分別為12m，13m，14m。淺埋中厚煤層煤柱支承壓力低，護(hù)巷煤柱寬度可以相應(yīng)減小。

表3 中厚煤層護(hù)巷煤柱合理寬度

5 結(jié)論

(1)淺埋中厚煤層礦山壓力較小，支承壓力較低，巷道礦壓顯現(xiàn)較輕，雙巷掘進(jìn)和維護(hù)方式的20m護(hù)巷煤柱應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步減小。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬，淺埋中厚煤層條件下，煤柱寬度25m，20m，15m時(shí)，兩側(cè)采動(dòng)應(yīng)力的峰值區(qū)還未明顯疊加，煤柱塑性區(qū)寬度并不大，煤柱的彈性核寬度較大;當(dāng)煤柱寬度為10m，8m時(shí)，由于兩側(cè)采動(dòng)應(yīng)力的峰值區(qū)相互疊加，煤柱塑性區(qū)范圍有所擴(kuò)大，彈性核寬度已經(jīng)較小，煤柱合理寬度為10～15m范圍。

(3)根據(jù)理論計(jì)算分析，昌漢溝四煤組淺埋中厚煤層條件下，開(kāi)采深度80m，120m，160m時(shí)，煤柱合理寬度分別為12m，13m，14m。

［1］張科學(xué).深部煤層群沿空掘巷護(hù)巷煤柱合理寬度的確定［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(S1).

［2］黃慶享.淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(8).

［3］侯朝炯，馬念杰.煤層巷道兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡區(qū)的探討［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1989，14(4).

［4］奚家米，毛久海，楊更社，等.回采巷道合理煤柱寬度確定方法研究與應(yīng)用［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25(4).

［5］柏建彪.沿空掘巷圍巖控制［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［責(zé)任編輯:于海湧］

Research on Rational Width of Coal-pillar in Shallow-buried Medium-thick Coal-seam

JIANG Li-shuai，LIU Hong-tao，LIAN Xiao-yong，ZHANG wei-wei

(Faculty of Resources and Safety Engineering，China University of Mining＆Technology(Beijing)，Beijing 100083)

Aiming at the background of shallow coal seams with medium thickness，this paper studied the stress characteristics of coal pillarsbetween panels applying field tests，numerical modeling and theoretical analyses，and determined the rational width of coal pillars.The results of this study showed:the stress in shallow coal seams is comparatively small，and the stability of roadways is less affected;when the width of the coal pillar is 15～25，the dynamic stress fields caused by mining from the pillar’s both sides do not superpose，and the width of elastic band in the pillars is big;when the width of the coal pillar is less than 10m，the dynamic stress fields superpose significantly，and the width of elastic band in the pillars is small;when the mining depth is 80m，120m，160m，the rational width of the coal pillar is 12m，13m，14m respectively.

shallow buried;coal pillars in the panel;width of the coal pillar;stress distribution

TD822.3

A

1006-6225(2012)04-0105-04

2012－04－16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目:淺埋深薄基巖采動(dòng)巖體破斷及滲流基礎(chǔ) (51134018)

蔣力帥 (1989－)，男，江蘇南通人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)采礦工程專業(yè)研究生。