裴曉建，徐金海，2，劉 濤

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116）

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特厚煤層迎回采面沿空掘巷區(qū)段煤柱寬度研究

裴曉建1，徐金海1，2，劉 濤1

（1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116）

以新疆俄礦5104回風(fēng)巷在5102工作面未回采完畢提前掘進(jìn)的情況下，出現(xiàn)回風(fēng)巷迎回采工作面掘巷的問題為例，基于彈性核理論計(jì)算了區(qū)段煤柱寬度合理范圍，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FLAC3D采用循環(huán)開挖的方式對迎采動(dòng)掘巷條件下不同寬度煤柱的應(yīng)力分布和位移進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：8～20m寬煤柱內(nèi)應(yīng)力呈現(xiàn)雙駝峰狀，4m和6m寬煤柱應(yīng)力呈現(xiàn)單駝峰狀；回風(fēng)巷頂?shù)装寮皟蓭妥冃嗡俾试诿褐鶎挾?～8m區(qū)間最大，在8～20m范圍趨于平緩。綜合考慮煤柱的黏彈塑性流變的時(shí)間效應(yīng)，確定合理煤柱寬度為12m。在此基礎(chǔ)上，提出高阻讓壓、加強(qiáng)底角、重點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)圍巖控制技術(shù)，現(xiàn)場試驗(yàn)表明：該方案有效地控制了圍巖的變形，保證了回采與掘進(jìn)的正常進(jìn)行。

特厚煤層；迎回采面沿空掘巷；區(qū)段煤柱；理論計(jì)算；數(shù)值模擬

合理的區(qū)段煤柱寬度不僅能夠減少煤炭資源的浪費(fèi)，而且有利于周圍巷道的維護(hù)，減小支護(hù)強(qiáng)度［1］。如何確定區(qū)段煤柱的合理寬度，一直以來是國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)內(nèi)容。柏建彪等對綜放面沿空巷道小煤柱合理寬度進(jìn)行了研究［2-4］，論證了沿空巷道留窄小煤柱來保證巷道穩(wěn)定的可行性。劉金海等通過現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬、理論計(jì)算對綜放面?zhèn)认蛑螇毫Ψ植家?guī)律進(jìn)行了研究［5-7］，結(jié)果表明厚煤層綜放開采條件下大煤柱能夠保持巷道的穩(wěn)定性。王猛等對迎采動(dòng)條件下沿空掘巷小煤柱寬度進(jìn)行了研究［8-10］，并提出了相應(yīng)的巷道圍巖支護(hù)方案。本文以俄礦5102回采面為工程背景，在理論分析和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，對特厚煤層迎回采工作面沿空掘巷區(qū)段煤柱寬度進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的支護(hù)方案，期望能夠給類似礦井起到借鑒意義。

1　工程概況

俄礦5104工作面位于主、副斜井東側(cè)，為5煤東翼第二采區(qū)，北部為準(zhǔn)備回采的5102工作面，南部為未采區(qū)，西部為5煤運(yùn)輸上山、軌道上山。根據(jù)俄礦工程地質(zhì)資料，5煤厚度平均9.2m，直接頂為平均1.9m厚的泥巖；基本頂以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，平均厚度為16.6m，垂直裂隙發(fā)育；直接底為泥巖，遇水呈泥粉狀，厚度平均1.2m；老底為中粗粒砂巖，粗粒夾細(xì)砂條帶，塊狀，底部含礫石，平均厚度16.4m。

由于該礦采掘接替緊張，為保證礦井的正常生產(chǎn)，5104回風(fēng)巷未等5102工作面回采完就提前掘進(jìn)，出現(xiàn)5102回采面與5104回風(fēng)巷掘進(jìn)面由 “相向而行”到 “相背而行”的特殊局面，5104回風(fēng)巷掘進(jìn)面在5102工作面回采動(dòng)壓的影響下勢必會反映強(qiáng)烈，嚴(yán)重情況下可能會導(dǎo)致掘進(jìn)巷道變形失穩(wěn)，巷道垮塌，因此需要計(jì)算分析迎回采工作面掘巷條件下合理的區(qū)段煤柱寬度，以保證5104回風(fēng)巷處在壓力降低區(qū)，盡量避開動(dòng)壓峰值的影響。5104工作面采掘巷道平面布置見圖1。

圖1　5104工作面采掘巷道平面布置

2　區(qū)段煤柱寬度理論分析

受回采與掘進(jìn)巷道開挖影響，煤柱周圍應(yīng)力重新分布，煤柱邊緣出現(xiàn)數(shù)倍于自身重力的集中應(yīng)力，邊緣煤體發(fā)生剪切破壞，在煤柱兩側(cè)產(chǎn)生一定范圍的塑形變形。煤柱過小，會導(dǎo)致兩側(cè)塑性區(qū)域連通，煤柱失穩(wěn)；煤柱寬度過大，會導(dǎo)致煤炭資源的浪費(fèi)。合理的煤柱尺寸寬度會在煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，煤柱中央仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，即在煤柱中央保持一定寬度的彈性核［11-12］，彈性核區(qū)一般取2倍巷道高度?；趶椥院死碚摚蓜?dòng)條件下區(qū)段煤柱寬度的計(jì)算公式為:

式中，x1為采空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度；h為開采巷道高度，2h彈性核區(qū)寬度；x2為下回采面區(qū)段平巷側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度。

采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度x1根據(jù)極限平衡理論［4］得:

式中，M為煤層開采厚度，取9.2m；λ為側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/（1-μ），其中μ為泊松比，取0.26，則λ=0.352；φ為煤層與頂?shù)装褰缑嫣幍哪Σ两?，?0°；c為煤層與頂?shù)装褰缑嫣幍酿ぞ哿?，?.2MPa；H為工作面埋深，H=220m；K為回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)，按實(shí)測最大值2.5計(jì)算；γ為煤巖體容重，γ=25kN/m3。

經(jīng)計(jì)算，塑性區(qū)寬度x1=2.07m。

由于下區(qū)段回采面回采后，煤柱兩側(cè)均為采空區(qū)，為保證煤柱的穩(wěn)定性決定取x2=x1。

綜上所述，基于彈性核理論計(jì)算出區(qū)段煤柱寬度B≥2.07+3.5×2+2.07=11.14（m）。

3　煤柱合理寬度數(shù)值模擬與分析

3.1模型的建立

結(jié)合俄礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)4m，6m，8m，10m，12m，14m，16m和20m共8種不同煤柱寬度的模擬方案。模型幾何尺寸為長×寬×高=400m× 400m×60m，煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。模型邊界條件為四周位移約束，限制水平移動(dòng)，底部固定，根據(jù)埋深上表面施加5.5MPa的垂直應(yīng)力，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。為了模擬回采動(dòng)壓影響，采用循環(huán)開挖的方式進(jìn)行。第一次運(yùn)算時(shí)設(shè)置5104掘進(jìn)工作面與5102回采工作面相距100m，然后掘進(jìn)工作面與回采工作面每次向各自前方推進(jìn)10m，運(yùn)算1000步后，再進(jìn)行下一步開挖，以此循環(huán)直到掘進(jìn)工作面與回采工作面相錯(cuò)300m為止。

表1　煤巖力學(xué)參數(shù)

3.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1圍巖垂直應(yīng)力場演變規(guī)律

對于迎回采面沿空掘巷，動(dòng)壓影響主要分為3個(gè)階段:超前動(dòng)壓影響階段、滯后動(dòng)壓影響階段、沿空掘巷階段。其中對迎采動(dòng)沿空掘巷應(yīng)力環(huán)境起決定作用的為滯后動(dòng)壓影響階段［8］，即在回采面后方10～50m，掘進(jìn)巷道頂板來壓最大，圍巖變形速度最快，圍巖控制也最困難。為了分析不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力的演變規(guī)律，以5102工作面與5104回風(fēng)巷掘進(jìn)面相錯(cuò)開50m時(shí)取5102工作面后方20m斷面處為研究對象，不同煤柱寬度下圍巖的垂直應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2　不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

為了進(jìn)一步分析不同寬度煤柱的支撐能力與穩(wěn)定性，在煤柱內(nèi)對距底板上2m位置取點(diǎn)，繪制不同寬度煤柱內(nèi)應(yīng)力分布曲線如圖3所示。分析圖3可知:煤柱寬度為8～20m時(shí)煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)雙駝峰狀，煤柱寬度為4m和6m時(shí)，應(yīng)力分布呈現(xiàn)單駝峰狀。煤柱寬度為4m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值為5.1MPa，小于原巖應(yīng)力，這說明煤柱在不斷強(qiáng)動(dòng)壓擾動(dòng)下煤柱兩側(cè)塑形區(qū)連通，煤柱已失穩(wěn)破壞；煤柱寬度為6m時(shí)，煤柱內(nèi)單駝峰峰值為21.1MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.5，煤柱有很強(qiáng)的承載力，未發(fā)生破壞，但在此高應(yīng)力狀態(tài)下，如果考慮煤柱黏彈塑性流變時(shí)間效應(yīng)［13］，煤柱穩(wěn)定性差，極易發(fā)生瞬間崩塌；當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步增加到8m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力分布開始呈現(xiàn)雙駝峰狀，但由于兩駝峰峰值較近，極易疊加在一起加劇煤柱失穩(wěn)；當(dāng)煤柱寬度為12m時(shí)，煤柱內(nèi)左側(cè)駝峰峰值應(yīng)力集中系數(shù)為3.08，右側(cè)駝峰應(yīng)力集中系數(shù)為2.52，相比6m寬煤柱，最大應(yīng)力集中系數(shù)降低12%，兩峰值之間彈性核區(qū)的寬度約為6m，煤柱承載力增大的同時(shí)，煤柱穩(wěn)定性也能得到較大的保證，即使考慮煤柱黏彈塑性流變的時(shí)間效應(yīng)，煤柱發(fā)生完全破壞的可能性進(jìn)一步降低；當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步增大到20m時(shí)，煤柱左側(cè)駝峰應(yīng)力峰值變化不大，右側(cè)駝峰峰值呈現(xiàn)階梯狀的降低，兩峰值之間的彈性核區(qū)也進(jìn)一步增大。因此，從煤柱承載力與穩(wěn)定性的角度考慮，為了能夠控制住5104回風(fēng)巷圍巖的變形，5104與5102工作面區(qū)段煤柱寬度應(yīng)不小于12m。

圖3　不同煤柱寬度對應(yīng)的垂直應(yīng)力分布曲線

3.2.2位移場分析

對5104回風(fēng)巷巷道兩幫及頂?shù)装逯虚g位置設(shè)置測點(diǎn)，將不同煤柱下監(jiān)測的最大變形量繪制成曲線，如圖4所示。

圖4　不同寬度煤柱下圍巖變形量

由圖4可知:當(dāng)煤柱寬度為4m時(shí)，頂板下沉量達(dá)到350mm，底鼓量為55mm，左幫變形量達(dá)到275mm，右?guī)妥冃瘟繛?13mm，巷道圍巖破壞嚴(yán)重；煤柱寬度為8m時(shí)，頂板下沉量下降到182mm，左幫變形量下降到160mm，右?guī)妥冃瘟繛?30mm，底鼓量為40mm，巷道圍巖變形破壞得到控制；當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步增加時(shí)，圍巖變形量進(jìn)一步降低，但下降幅度逐漸趨于平緩。由此可知煤柱寬度為4～8m，回風(fēng)巷圍巖變形破壞嚴(yán)重，控制難度較大；煤柱寬度為8～20m圍巖變形量較小且趨于穩(wěn)定，區(qū)段煤柱寬度應(yīng)不小于8m。綜合理論計(jì)算，結(jié)合不同寬度煤柱應(yīng)力分布規(guī)律、承載能力以及圍巖變形的數(shù)值分析，考慮資源回收，以及防止次生災(zāi)害的發(fā)生和安全系數(shù)，最終確定5104回風(fēng)巷迎5102回采面采動(dòng)掘進(jìn)留設(shè)區(qū)段煤柱寬度為12m。

4　支護(hù)方案設(shè)計(jì)

迎采動(dòng)沿空掘巷應(yīng)力環(huán)境起決定作用的為滯后動(dòng)壓影響階段，為了避免5104回風(fēng)巷掘進(jìn)應(yīng)力擾動(dòng)與5102工作面采動(dòng)動(dòng)壓產(chǎn)生疊加而進(jìn)一步惡化巷道的應(yīng)力環(huán)境，在實(shí)際生產(chǎn)中，5104工作面回風(fēng)巷分段掘進(jìn)［8-10］:在距5102工作面約70m時(shí)停止掘進(jìn)，并對已掘巷道采用單體支柱配合鋼梁方式加強(qiáng)支護(hù)；隨著5102工作面的繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)5102面推進(jìn)過5104回風(fēng)巷掘進(jìn)迎頭160m后再進(jìn)行復(fù)掘。同時(shí)針對5104回風(fēng)巷迎5102工作面回采掘進(jìn)，巷道圍巖變形量大，不同階段所受采掘應(yīng)力擾動(dòng)不同以及圍巖應(yīng)力環(huán)境差異的特點(diǎn)，提出了高阻讓壓，優(yōu)化底角、重點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)圍巖控制技術(shù)，支護(hù)參數(shù)如圖5所示。

圖5　5104回風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)

頂板支護(hù) 頂板采用直徑20mm，長2200mm等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距900mm×900mm，配直徑14mm圓鋼鋼帶、蝶形托盤（肩窩錨桿使用異形托盤以便增加支護(hù)效果）。錨索直徑15.24mm，長8300mm，間排距1800mm×1800mm。所有錨桿錨索需配合減磨墊圈進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)安裝讓壓環(huán)，以實(shí)現(xiàn)高阻讓壓，錨桿預(yù)緊力均不小于 200N·m，錨索預(yù)緊力170kN，菱形金屬網(wǎng)護(hù)表。

幫部支護(hù) 兩幫采用直徑20mm，長1800mm等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為:900mm×900mm，每排配直徑12mm圓鋼鋼帶、蝶形托盤（肩窩錨桿使用異形托盤），幫部底角錨桿與水平線夾角由原設(shè)計(jì)的15°增大為30°。所有錨桿需配合減磨墊圈進(jìn)行支護(hù)，同時(shí)安裝讓壓環(huán)，以實(shí)現(xiàn)高阻讓壓，錨桿預(yù)緊力均不小于200N·m，菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫。

回采期間5104回風(fēng)巷道的圍巖變形如圖6所示。由圖可以看出，工作面后方圍巖變形量急劇增長階段在0～40m之間，隨著工作面的推進(jìn)圍巖變形量減緩，在90m之后圍巖變形量趨于穩(wěn)定，頂?shù)装鍑鷰r最大移近量為255mm，圍巖變形得到了有效的控制。

圖6　5104回風(fēng)巷道表面位移監(jiān)測曲線

5　結(jié) 論

（1）基于彈性核理論，將煤柱分為塑性區(qū)-彈性核區(qū)-塑性區(qū)，結(jié)合平衡理論塑性區(qū)計(jì)算公式計(jì)算煤柱兩側(cè)塑性區(qū)寬度為2.07m，以2倍巷道高度為彈性核寬度，理論計(jì)算得出煤柱寬度應(yīng)不小于11.14m。

（2）建立了數(shù)值計(jì)算模型，對不同煤柱寬度下煤柱的應(yīng)力分布和變形位移進(jìn)行了對比分析，得出了應(yīng)力和位移隨不同寬度煤柱的變化規(guī)律，綜合考慮煤柱的黏彈塑性流變的時(shí)間效應(yīng)，最終確定煤柱合理寬度12m。

（3）針對迎回采面采動(dòng)沿空掘巷，為避開回采滯后動(dòng)壓影響強(qiáng)烈階段，回風(fēng)巷采用分段掘進(jìn)，結(jié)合具體條件給出了相應(yīng)的支護(hù)方案，有效控制了巷道圍巖變形。

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［責(zé)任編輯：林 ?。?/p>

Section Coal Pillar Width of Gob Side Entry Driving that Face to Working Face with Extra Thickness Coal Seam

PEI Xiao-jian1，XU Jin-hai1，2，LIU Tao1
（1.Mining EngineeringSchool，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources&Safety Mining，China University of Mining&Technology，Xuzhou 221116，China）

It taking the problem of return airway driving along direction face to working face，under 5104 return air roadway driving before 5102 working face unfinished mining of E coal mine in Xinjiang district，the rational scope of coal pillar width was calculated by elastic core theory，detailed model was built by software FLAC3D，the stress distribution and displacement of different pillar width were compared under driving along face to working face with cycle excavation.The results showed that the stress shape of pillar width（8～20m）was double humps shape，but the stress shape was like single hump when pillar width were 4m and 6m，respectively.The deformation speed of roof to floor and two sides of return air entry were the largest，when coal pillar width belong scope 4m to 8m，but the speed ratio was smooth when coal pillar width belong scope 8m to 20m.On the basis of time effect of viscoelasto-plastic rheological of pillar，then the reasonable coal pillar width was confirmed as 12m，so the surrounding rock supporting way was put forward，which include high resistance and yield，strengthen bottom corner，reinforcement emphasis and so on，the practical test showed that surrounding rock deformation could be controlled effectively，mining and driving were assured.

extra thickness coal seam；gob side entry driving that face to working face；sectional coal pillar；theoretical calculate；numerical simulation

TD263

A

1006-6225（2016）04-0073-05

2016-01-18

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.019

煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（SKLCRSM11X02）

裴曉建（1988-），男，河北唐山人，碩士研究生，主要從事礦山壓力及其控制方面的研究。

［引用格式］裴曉建，徐金海，劉 濤.特厚煤層迎回采面沿空掘巷區(qū)段煤柱寬度研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：73-77.