楊宇曉，謝麗舉

(1.山西潞安集團(tuán) 慈林山煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046605；2.江蘇勵(lì)盛建設(shè)有限公司，江蘇 徐州 221600)

傳統(tǒng)留設(shè)寬煤柱的護(hù)巷方法，不利于回采巷道的維護(hù)，有時(shí)會(huì)對(duì)煤柱區(qū)域造成應(yīng)力集中，加大煤柱下方回采維護(hù)巷道的難度，甚至導(dǎo)致沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害事故發(fā)生。工作面回采時(shí)，沿著背離采空區(qū)的方向，實(shí)體煤應(yīng)力分布依次為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)以及原巖應(yīng)力區(qū)。因此，在研究留設(shè)小煤柱時(shí)，應(yīng)將下一采區(qū)的回采巷道布置在相應(yīng)的應(yīng)力降低區(qū)，從而改善回采巷道的受力狀況，使煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定合理化，實(shí)現(xiàn)沿空掘巷留設(shè)小煤柱護(hù)巷的目的。這將會(huì)提高礦井煤炭回采率及采場(chǎng)穩(wěn)定性，降低巷道返修率和不必要的維修費(fèi)用，對(duì)礦井的生產(chǎn)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)效益都具有重要意義。本文主要以長(zhǎng)治A煤業(yè)3#煤大采高工作面的護(hù)巷煤柱為背景，計(jì)算了理論上可行小煤柱的尺寸，模擬分析了小煤柱的應(yīng)力及變形情況，并通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證了窄煤柱的可行性[1]。

1 大采高工作面護(hù)巷煤柱寬度計(jì)算理論[2-3]

采用小煤柱護(hù)巷把巷道布置在采空區(qū)邊緣低壓區(qū)內(nèi)，以達(dá)到減輕巷道受壓的目的，同時(shí)提高資源回收率。但從回采巷道的支護(hù)考慮，煤柱尺寸也不宜過(guò)小，煤柱寬度過(guò)小，在工作面回采過(guò)程中將導(dǎo)致煤柱內(nèi)破碎區(qū)占的比重增加，加劇煤柱的破壞，這樣即使進(jìn)行錨桿支護(hù)，也是錨固在破碎區(qū)，減弱了錨桿的支護(hù)作用，無(wú)法形成支護(hù)、圍巖共同承載的結(jié)構(gòu)。通過(guò)煤柱載荷計(jì)算模型的建立和簡(jiǎn)化(見圖1)，在考慮煤柱所受載荷小于其極限強(qiáng)度的情況下，確定煤柱尺寸。

圖1 計(jì)算煤柱載荷示意圖

式中：

B—煤柱寬度，m；

D—采空區(qū)寬度，m；

H—巷道埋深，m；

δ—采空區(qū)上覆巖層垮落角，(°)；

γ—上覆巖層平均體積力，kN/m3。

煤柱的極限強(qiáng)度計(jì)算采用如下公式：

聊城山陜會(huì)館地處古運(yùn)河的西岸，是清代聊城商業(yè)繁榮的縮影和見證。整個(gè)建筑布局緊湊，錯(cuò)落有致，連接得體，裝飾華麗，堪稱中國(guó)古代建筑的杰作。

式中：

R—煤柱強(qiáng)度，MPa；

Rc—煤柱原位臨界立方體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

B—煤柱寬度，m；

h—煤柱高度，m。

則，煤柱的寬度計(jì)算公式為：

2 工程實(shí)踐

長(zhǎng)治A煤業(yè)3#煤大采高工作面位于井田的東部，向東為井田邊界，向西為采空區(qū)，北側(cè)是為3#采區(qū)服務(wù)的3條巷道，南部相鄰雄山礦采空區(qū)，地面無(wú)建筑物和其它設(shè)施。該工作面所采煤層為3#煤，工作面煤層厚度為4.65～5.2 m，平均厚度為5.0 m，煤層傾角2°～7°。煤層含1層夾矸，夾矸厚度0.1 m。本工作面采用走向長(zhǎng)壁一次采全高自然垮落后退式綜合機(jī)械化采煤方法(大采高綜采技術(shù))，一次采5 m厚煤層。

根據(jù)A煤業(yè)3#煤大采高工作面的實(shí)際情況，大采高工作面采煤高度為5.0 m，煤柱高度h取3.5 m，煤體的單軸抗壓臨界強(qiáng)度取10 MPa，采空區(qū)上覆巖層垮落角取45°，上覆巖層平均容重取0.025 MN/m3，巷道埋深200 m，采空區(qū)寬度按巷道跨度計(jì)算取5 m。以計(jì)算理論為基礎(chǔ)，代入上述公式，算出煤柱寬度為5.3 m。也就是說(shuō)，當(dāng)煤柱寬度為5.3 m時(shí)，煤柱的強(qiáng)度與其極限強(qiáng)度相等，考慮富裕系數(shù)后，煤柱寬度取5.8 m。

3 大采高小煤柱穩(wěn)定性巷模型分析[4-5]

3.1 工程模型建立

本次建模304527工作面以回采巷道底板中點(diǎn)為原點(diǎn)，以傾向?yàn)閄軸，沿工作面傾向取200 m；以走向?yàn)閅軸，沿回采巷道走向取300 m;豎向?yàn)閆軸,回采巷道頂板向上取26 m，底板向下取了15.1 m。建模模型圖見圖2，以該大采高工作面回風(fēng)順槽底板中心線為Y軸線，代表工作面走向方向；左右方向?yàn)閄方向，代表工作面傾向方向；上下分別為大采高工作面頂?shù)装宸较?。此模型邊界均為固定邊界，在X、Y方向上的初始位移均為0，3045工作面距地面200 m左右，在Z方向，模型的最上端加載計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)，荷載大小為γH，即上覆巖層容重所施加的豎向載荷約為5 MPa，由于相鄰采空區(qū)頂板已做自行垮落處理，所以，采空區(qū)及其上方賦予彈性值。

圖2 3045工作面數(shù)值模擬模型圖

3.2 3045工作面回采期間小煤柱模擬分析

本方案模擬3045回采工作面沿開切眼向前推30 m時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算煤柱內(nèi)和工作面前方實(shí)體煤的應(yīng)力和位移?；夭善陂g各尺寸煤柱下，垂直應(yīng)力分布見圖3～6，水平與垂直位移見圖7～14。

圖3 回采時(shí)4 m煤柱垂直應(yīng)力分布圖

圖4 回采時(shí)5 m煤柱垂直應(yīng)力分布圖

圖5 回采時(shí)6 m煤柱垂直應(yīng)力分布圖

圖6 回采時(shí)7 m煤柱垂直應(yīng)力分布圖

圖7 回采時(shí)4 m煤柱垂直位移分布圖

圖8 回采時(shí)5 m煤柱垂直位移分布圖

圖9 回采時(shí)6 m煤柱垂直位移分布圖

圖10 回采時(shí)7 m煤柱垂直位移分布圖

圖11 回采時(shí)4 m煤柱水平位移分布圖

圖12 回采時(shí)5 m煤柱水平位移分布圖

圖13 回采時(shí)6 m煤柱水平位移分布圖

圖14 回采時(shí)7 m煤柱水平位移分布圖

分析工作面向前推進(jìn)30 m時(shí)得到的不同垂直應(yīng)力等線圖，可以看出：由于工作面向前推進(jìn)30 m，在二次采動(dòng)影響下，煤柱內(nèi)和回風(fēng)順槽頂?shù)装宓拇怪睉?yīng)力都有所增大，比沿空掘巷后所顯現(xiàn)的應(yīng)力分布要大得多。留設(shè)4 m煤柱，當(dāng)工作面回采30 m時(shí)，煤柱內(nèi)的處置應(yīng)力增大不多，支承應(yīng)力峰值為18 MPa左右，普遍在10 MPa左右，然而工作面前方實(shí)體煤中的處置應(yīng)力峰值增長(zhǎng)到32 MPa,且大于30 MPa的區(qū)域相當(dāng)大，回采巷道實(shí)體煤側(cè)處置應(yīng)力達(dá)到22 MPa；留設(shè)5 m煤柱時(shí),煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值與沿空掘巷時(shí)相比略有增加，最大為16 MPa，但垂直應(yīng)力增大區(qū)較小，煤柱內(nèi)應(yīng)力普遍小于8 MPa，接近原巖應(yīng)力；留設(shè)6 m煤柱時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值增長(zhǎng)到18 MPa，煤柱應(yīng)力核心區(qū)較小，接近原巖應(yīng)力的區(qū)域較大，工作面前方實(shí)體煤靠近回采巷側(cè)應(yīng)力最大值為34 MPa，核心區(qū)距巷道內(nèi)幫有一定距離；留設(shè)7 m煤柱時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力核心區(qū)范圍有所增大，最大垂直應(yīng)力為24 MPa左右，工作面前方實(shí)體煤靠近回采巷道側(cè)垂直力達(dá)到20 MPa。

回采時(shí)，留設(shè)4 m煤柱最大垂直位移增加到250 mm，最大水平位移為400 mm，頂板下沉量達(dá)到350 mm，巷道外幫即煤柱側(cè)的移近量達(dá)到350～400 mm，有部分達(dá)到500 mm；留設(shè)5 m煤柱時(shí)，回采巷道頂板下沉量略有增加，達(dá)到200 mm左右，最大垂直位移為350 mm，位于煤柱上方巖層，最大水平位移增加到350 mm，位于煤柱下方，煤柱向回采巷道的移近量為180 mm左右；留設(shè)6 m煤柱時(shí)，煤柱內(nèi)垂直位移峰值與5 m煤柱相當(dāng)，最大垂直位移為350 mm，位于巷道頂板，煤柱內(nèi)垂直位移與掘巷后無(wú)明顯變化，回采巷道煤柱側(cè)的水平位移最大值是350 mm，變形較大區(qū)域較小，大部分區(qū)域水平位移在150 mm左右；留設(shè)7 m煤柱時(shí)，回采巷道頂板下沉量與掘巷后無(wú)明顯變化，最大垂直位移為300 mm，位于巷道頂板，回采巷道煤柱側(cè)水平位移比5 m、6 m煤柱時(shí)要大，達(dá)到450 mm，煤柱變形較大，煤柱向回采巷道移近量進(jìn)一步增大。

從回采時(shí)各尺寸煤柱下的垂直應(yīng)力、垂直位移和水平位移等值線圖分析來(lái)看，回采時(shí)，4 m煤柱受二次采動(dòng)影響較突出，5 m、6 m無(wú)較大明顯變化，7 m煤柱垂直應(yīng)力有較大增加，水平位移較大，尤其是外幫向回采巷道移近量增加明顯。

綜上所述，通過(guò)對(duì)各尺寸煤柱在沿空掘巷后和工作面向前回采推進(jìn)時(shí)的數(shù)值模擬分析可以看出，在這兩種環(huán)境下，煤柱尺寸留設(shè)在5 m、6 m時(shí)，相對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性較有利?？紤]較小煤柱尺寸設(shè)計(jì)，兼顧巷道和煤柱穩(wěn)定性，取5 m煤柱合理性較大。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，留設(shè)5～6 m煤柱既能滿足維持采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性，也符合經(jīng)濟(jì)技術(shù)方面的要求，綜合考慮前述理論計(jì)算部分，沿空掘巷小煤柱留設(shè)寬度為5.8 m。

3.3 礦壓觀測(cè)[6]

針對(duì)3045大采高工作面留設(shè)5.8 m煤柱，制定了合理的礦壓觀測(cè)方案，分別對(duì)沿空掘巷后和回采時(shí)進(jìn)行了煤柱內(nèi)應(yīng)力分布觀測(cè)，對(duì)煤柱內(nèi)支承力的分布進(jìn)行了分析。3045回風(fēng)順槽掘進(jìn)完畢穩(wěn)定后，頂板下沉量達(dá)到20 mm，底鼓量為5 mm左右，工作面沿開切眼向前繼續(xù)推進(jìn)，頂?shù)装逑鄬?duì)位移為25～45 mm，兩幫相對(duì)位移為45～70 mm(見圖15，圖16)，現(xiàn)場(chǎng)未見明顯底鼓現(xiàn)象，巷道變形量較小，巷道維護(hù)效果較好。沿空掘巷后，對(duì)3045順槽采取錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梁+錨索補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)[7-8]，對(duì)煤柱進(jìn)行噴漿注漿支護(hù)，提高了煤柱的強(qiáng)度，有效地控制了頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)位移量。從觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，留設(shè)5.8 m煤柱時(shí)，煤柱內(nèi)支承力穩(wěn)定分布，煤柱整體保持較穩(wěn)定狀態(tài)，滿足了對(duì)頂板的支撐，起到了護(hù)巷作用，有利于巷道維護(hù)和煤炭資源的高效回收。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)長(zhǎng)治A煤業(yè)大采高沿空掘巷下，小煤柱理論計(jì)算寬度在5.8 m左右；數(shù)值模擬得到的合理煤柱尺寸范圍是5～6 m；表面噴漿內(nèi)部注漿加固后的煤柱內(nèi)深部位移較小，煤柱狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定無(wú)較大變形。

圖15 回風(fēng)順槽表面位移曲線圖

2)根據(jù)煤柱合理留設(shè)的原則，運(yùn)用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和礦壓實(shí)測(cè)的煤柱設(shè)計(jì)方法，特別是數(shù)值模擬的方法分析了煤柱不同寬度的條件下巷道圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律，并結(jié)合工作面的地質(zhì)條件，確定了A煤業(yè)大采高小煤柱留設(shè)寬度為5.8 m。

3)A煤業(yè)3#煤層大采高工作面回風(fēng)順槽小煤柱留巷，在使用過(guò)程中巷道不需要返修，完全滿足生產(chǎn)要求。從巷道開掘到掘進(jìn)穩(wěn)定，頂板總離層量約10 mm，表明針對(duì)該回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)的錨桿支護(hù)方案的實(shí)施較好地控制了回風(fēng)順槽圍巖變形。

圖16 回風(fēng)順槽兩幫移近量圖

4)A煤業(yè)3#煤大采高工作面采用沿空掘巷留設(shè)小煤柱工業(yè)性試驗(yàn)的成功，為礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，提高煤炭采出率，改善巷道維護(hù)狀況，降低支護(hù)成本，特別是對(duì)高應(yīng)力礦井，提供了可靠的理論依據(jù)和技術(shù)途徑。

參 考 文 獻(xiàn)

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