胥克俊

(中電投寧夏青銅峽能源鋁業(yè)集團，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750000)

在煤礦開采過程中，根據(jù)地質條件及回采要求，區(qū)段平巷的布置往往采用雙巷布置，并通過留設一定寬度的煤柱對兩條巷道進行保護。目前，通過留設煤柱保護采準巷道仍是我國許多煤礦采取的主要的護巷方法，區(qū)段煤柱留設寬度是煤柱穩(wěn)定性和巷道穩(wěn)定性的關鍵所在。由于各礦井地質條件、水文條件和開采方法差異較大，區(qū)段煤柱留設寬度的取值以及確定方法也不盡相同。煤柱尺寸太小會使頂板難以支撐，使下區(qū)段回風平巷圍巖發(fā)生較大的變形破壞，且可能導致上一個工作面回采后產生的采空區(qū)積水涌入，以及冒落矸石竄入下一工作面；區(qū)段煤柱寬度過大又會造成煤炭資源的損失過大，從安全生產和資源節(jié)約方面考慮都要求區(qū)段煤柱有合理的留設寬度。

目前我國許多礦區(qū)在緩傾斜和傾斜煤層條件下普遍采用經驗方法或工程類比方法確定煤柱留設寬度，并通過現(xiàn)場實測煤柱支承壓力分布大小總結規(guī)律，及時調整煤柱寬度范圍，或者根據(jù)巖體的極限平衡理論來修正煤柱留設寬度。本文以紅一煤礦4＃煤層回采巷道區(qū)段煤柱為研究對象，借助UDEC數(shù)值計算手段，研究不同寬度下經歷巷道掘進階段和上區(qū)段工作面回采過程中煤柱和兩巷圍巖的應力變化規(guī)律，并將應力集中系數(shù)作為煤柱穩(wěn)定性的一個重要依據(jù)。

1 工程地質概況

紅墩子礦區(qū)紅一煤礦位于寧夏回族自治區(qū)東部，隸屬銀川市興慶區(qū)管轄。根據(jù)煤層分布情況，其首采區(qū)主要可采煤層為4＃煤層和5＃煤層。4＃煤層115采區(qū)位于二疊系山西組 (Ps)，該地段以灰黑色泥質粉砂巖、黑色泥巖、黑色粉砂巖、灰黑色泥質粉砂巖為主，巖石硬度系數(shù)f＝2～4，為中等硬度，4＃煤層厚度大部分在1.3～2.0m之間，煤層傾角在15°～25°之間，屬緩傾斜煤層。研究對象為115采區(qū)內1150401運輸平巷和1150403回風平巷之間的留設煤柱，回采巷道留設煤柱空間布置見圖1。

圖1 回采巷道留設煤柱空間布置圖

1150401工作面和1150403工作面之間采用雙巷布置方式進行掘進，之后進行1150401工作面回采，因此，兩巷之間的煤柱是安全生產的重要保證。兩巷斷面形狀均為梯形，且沿4＃煤層頂板泥質粉砂巖掘進，巷道支護方式為錨網(wǎng)索＋鋼筋梯聯(lián)合支護。

2 數(shù)值模型及模擬方案

2.1 模型建立

根據(jù)紅一煤礦地質條件，按實際巖層情況1∶1建立沿巷道剖面方向的平面應變模型。雙巷布置階段模型大小為100m×60m (長×高)，模型兩側面為滑動簡支，底部固支，數(shù)值計算模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型

模型邊界上、下兩巷沿頂板泥質粉砂巖掘進，左側為1150401工作面，右側為1150403工作面，按煤巖體實際傾角17°建模，巖層性質根據(jù)柱狀圖確定。整個模型在左、右及下部均為固定邊界，沒有水平位移，即Sx＝0，Sy＝0，為了計算準確，更加符合實際條件，使z方向測壓系數(shù)為1.0，在模型上部施加垂直應力為10.46MPa。模型力學性質參數(shù)見表1。分析節(jié)理特性時考慮其受采動影響，塊體采用摩爾—庫倫本構模型，節(jié)理采用摩爾—庫倫滑移本構模型，巖層的塊度依據(jù)巖層厚度和采動巖體特點進行劃分。

2.2 模擬方案

根據(jù)全國回采實體煤巷道煤柱統(tǒng)計結果，83.6%以上的煤柱留設寬度都在5～30m之間，因此，本次設計選取典型的6種方案進行模擬分析，制定區(qū)段煤柱留設寬度數(shù)值模擬方案為5m，10m，15m，20m，25m和30m。

回采巷道從開掘到報廢，經歷采動引起的圍巖應力重新分布過程，圍巖變形持續(xù)增長和變化。尤其是下區(qū)段1150403回風平巷，受到二次采動的影響，圍巖變形要經歷巷道掘進影響階段、掘進影響穩(wěn)定階段、采動影響階段、采動影響穩(wěn)定階段和二次采動影響5個階段。因此，對區(qū)段煤柱寬度的研究從兩個方面進行，即雙巷布置階段和1150401工作面回采階段。

3 掘進期間區(qū)段煤柱應力分布規(guī)律

圍巖淺部應力狀態(tài)對于巷道整體穩(wěn)定性有著重要影響，因此在煤柱上方 (距煤柱上方0m)和距煤柱上方分別1m、2m、3m、4m分別布置5條應力測線，從左到右編號依次為1～30，用來監(jiān)測頂板圍巖淺部應力分布及變化規(guī)律。

表1 煤巖層模擬力學及節(jié)理力學性質參數(shù)

3.1 應力集中系數(shù)對煤柱寬度的影響

應力集中主要由雙巷布置及煤柱周圍的工作面回采引起，造成的應力峰值與原巖應力的比值稱為應力集中系數(shù)。通過上一節(jié)建立的UDEC數(shù)值計算模型，對不同方案進行模擬，得到不同煤柱寬度下煤柱內應力集中系數(shù)，建立應力集中系數(shù)與煤柱寬度之間的關系，將應力集中系數(shù)作為一個影響因素來反映不同取值下煤柱的變化情況，如圖3所示，當應力集中系數(shù)較小時，煤柱寬度的增加較慢，當應力集中系數(shù)超過一定值 (根據(jù)模擬值約為3)，隨著應力集中系數(shù)的增加，煤柱所承受的應力越來越大，必須增大煤柱的寬度來抵抗增加的應力。

圖3 應力集中系數(shù)對煤柱寬度的影響

通過對不同應力集中系數(shù)計算比較得出，隨著應力集中系數(shù)的增大，煤柱寬度增大速度加快，呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)形式。當應力集中系數(shù)由1.5增加到3時，煤柱寬度由4.2m增加到6m，增長率為1.4；而當應力集中系數(shù)由3增加到4.5時，煤柱寬度由6m增加到13m，增長率為2.3。所以可以將應力集中系數(shù)視為影響煤柱寬度的敏感因素。

3.2 垂直應力分析

運輸平巷和回風平巷同時掘進時，由于區(qū)段煤柱寬度的不同，應力分布情況各異。選取距離頂板2m的應力測線監(jiān)測煤柱的垂直應力，不同煤柱寬度下垂直應力的分布情況如圖4所示。

圖4 不同煤柱寬度垂直應力分布

由圖4可知，沿煤柱測線的垂直應力以煤柱中心為對稱軸，兩邊基本呈現(xiàn)對稱分布，按照應力變化趨勢可以分為兩個類型。

(1)當煤柱＜15m時，屬于增高—降低類型。在這種類型下的煤柱，煤柱中心位置的垂直應力最高，并且會出現(xiàn)應力核區(qū)域，煤柱長期處于塑性區(qū)域中，很容易發(fā)生破壞，不利于巷道維護。

(2)當煤柱≥15m時，屬于增高—降低—二次增高—二次降低 (馬鞍)類型。兩巷至煤柱內3～5m為應力急速增高區(qū)，在巷道左右兩側5～6m，屬于應力最高區(qū)域，當煤柱留設足夠寬時，煤柱中心位置應力有所下降，基本屬于原巖應力區(qū)域。此外，煤柱在這一范圍內煤柱越窄，其上的應力峰值越大，峰值作用的范圍也越大，這主要是此時煤柱破壞嚴重，煤體酥松，不能承受較高的應力所致。當煤柱寬度增加到20m以后，峰值逐漸趨于穩(wěn)定，大致在15MPa左右。

同時，通過比較模型頂板布置的6條應力監(jiān)測線監(jiān)測應力系數(shù)在不同編號處的數(shù)值，可清晰反映應力集中及變化情況。留設煤柱寬度為5m時，測線的垂直應力變化劇烈，沒有明顯規(guī)律，時而出現(xiàn)應力系數(shù)2.0以上的煤柱區(qū)域；當煤柱留設寬度達到15m時，應力集中系數(shù)開始趨于緩和，大都為1.2～1.5，但仍處于破壞較嚴重的區(qū)域；當煤柱留設寬度達到20m以上時，應力集中系數(shù)基本平緩，在煤柱兩側5～6m，應力集中系數(shù)區(qū)域1.3，煤柱的其余部位基本接近于原巖應力。

通過垂直應力分析，認為15m是一個分界點，當煤柱留設寬度＜15m時，煤柱內出現(xiàn)應力系數(shù)為2.0以上的應力核區(qū)域，當煤柱留設寬度≥15m時，應力核區(qū)域逐漸消失，尤其是當煤柱留設寬度≥20m以后，煤柱的穩(wěn)定性較好。

3.3 水平應力分析

選取運輸平巷和回風平巷同時掘進時上下兩巷及煤柱的水平應力云圖進行對比分析，表明當煤柱留設寬度為5m時，由于兩巷之間相互影響，水平應力波動很大，在煤柱中間同樣出現(xiàn)應力核；當煤柱留設寬度為10m時，總體變化趨勢趨于穩(wěn)定，但仍然出現(xiàn)波動；當煤柱留設寬度≥15m，水平應力基本沒有變化且規(guī)律基本一致，不會因為煤柱留設寬度不同而對水平應力的重新分布造成太大影響。雙巷掘進期間留設不同煤柱寬度時煤柱應力特征見表2。

表2 留設不同煤柱寬度時的煤柱應力特征數(shù)據(jù)

通過對掘進期間煤柱和兩巷圍巖應力分布情況進行對比分析，同時根據(jù)煤柱上方圍巖淺部的應力集中系數(shù)的變化規(guī)律，得出1150401工作面與1150403工作面的煤柱留設寬度初步定為15～20m。

4 工作面回采期間煤柱穩(wěn)定性研究

1150403回風平巷屬于采前掘進，即在上區(qū)段工作面回采前該巷道已經布置完成，在布置時期，巷道及煤柱周邊圍巖內原巖應力進行重新分布，當1150401工作面回采期間，由于受到工作面采動影響，煤柱內應力分布情況再次發(fā)生變化，側向支承壓力迅速增高。通過對不同寬度煤柱在回采期間應力分布情況的數(shù)值模擬，得出煤柱內側向支承壓力及應力集中系數(shù)，可以對上一節(jié)提出的煤柱留設寬度進行驗證，監(jiān)測結果見表3。

表3 上區(qū)段工作面回采后應力匯總表

由表3可知，當煤柱留設寬度大于10m時，側向支承壓力在20MPa以下，應力集中系數(shù)在1.6以下，到煤柱留設寬度為20m時，側向支承壓力為15.5MPa，之后的側向支承壓力趨于平緩。將不同煤柱寬度的側向支承壓力進行對比分析，得到回采期間煤柱寬度與側向支承壓力之間的關系，如圖5所示。

圖5 煤柱寬度與側向支承壓力之間關系

由圖5可知，應力峰值隨著煤柱寬度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，經過數(shù)據(jù)擬合，其關系符合二次函數(shù)曲線，變化趨勢公式為:

由式 (1)可以看出，煤柱峰值在15～20m以后，應力峰值幾乎不變，過大煤柱對于巷道維護作用很小，由此驗證了上一節(jié)初步制定的煤柱留設寬度在15～20m之間是合理的。

5 結論

(1)通過分析應力集中系數(shù)對煤柱留設寬度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著應力集中系數(shù)的增大，煤柱寬度增大速度加快，呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)形式，從而確定應力集中系數(shù)為煤柱留設寬度敏感因素。

(2)通過對頂板淺部圍巖監(jiān)測可知，沿煤柱測線的垂直應力以煤柱中心為對稱軸，兩邊基本呈現(xiàn)對稱分布，按照應力變化趨勢可以分為如下兩個類型:當煤柱＜15m時，屬于增高—降低類型；當煤柱≥15m時，屬于增高—降低—二次增高—二次降低 (馬鞍)類型。同時，在煤柱＞15m后，水平應力基本沒有變化且規(guī)律基本一致。

(3)對上區(qū)段工作面回采時煤柱的穩(wěn)定性進行分析可知，煤柱峰值在15～20m以后，應力峰值幾乎不變，而過大煤柱對于巷道維護作用很小，從而最終確定合理的煤柱留設寬度為15～20m之間。

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