楊艷國(guó)，范　楠，潘　軍，高　仙，王婷婷

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 阜新123000; 2.遼寧省高校重大科技平臺(tái)-煤炭資源安全開采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000; 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新123000)

0　引言

隨著煤礦開采技術(shù)的提高，大型煤礦沿空掘巷技術(shù)開始著手實(shí)施并推廣，最佳的小煤柱留設(shè)尺寸與合理的巷內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)不但改善了采場(chǎng)圍巖的狀態(tài)而且確保了巷道圍巖的穩(wěn)定性[1-3]。但是在大傾角特厚煤層綜放開采一次采全高采出厚度很大，沿空掘巷后巷道變形嚴(yán)重，引起周圍巖體的連續(xù)變形，破壞了圍巖的整體穩(wěn)定性，制約了礦井安全高效生產(chǎn)。為此，我國(guó)的科研學(xué)者在特厚煤層綜放開采沿空掘巷合理留設(shè)煤柱方面做了大量的研究，取得了諸多研究成果。鄭西貴等教授[4]基于理論分析掘巷及之前的弧形三角塊體力學(xué)結(jié)構(gòu)，分析了沿空掘巷煤柱和實(shí)體幫的應(yīng)力演化特征。李磊、柏建彪教授[5]采用理論分析方法，推導(dǎo)出沿空掘巷“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”表達(dá)式，進(jìn)一步確定巷道斷面參數(shù)。彭林軍教授[6]提出了沿空掘巷的關(guān)鍵是掘巷時(shí)間(采場(chǎng)覆巖穩(wěn)定的時(shí)間)和掘巷位置，利用數(shù)值軟件建立模型，對(duì)沿空掘巷煤柱寬度及巷道位置進(jìn)行模擬分析。充分考慮巷道頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)特征，合理留設(shè)煤柱，輔以可行的支護(hù)技術(shù)，減少工作面采動(dòng)對(duì)釆場(chǎng)圍巖結(jié)構(gòu)的影響[7-8]。合理的煤柱寬度，可以確保巷道的穩(wěn)定性以及最大限度提高煤炭回采率。筆者針對(duì)龐龐塔煤礦特殊的地質(zhì)和開采條件，以初步計(jì)算小煤柱寬度為基礎(chǔ)，利用FLAC3D數(shù)值模擬得出不同留寬煤柱在受采動(dòng)階段影響下巷道頂?shù)装宓膽?yīng)力分布特征和小煤柱側(cè)向支承壓力變化情況，確定小煤柱的合理留寬。在龐龐塔煤礦特厚煤層綜采放頂煤一次采全高開采留設(shè)小煤柱沿空掘巷技術(shù)試驗(yàn)成功，為同類型礦井解決特厚煤層沿空掘巷留設(shè)小煤柱合理寬度提供參考依據(jù)。

1　煤層地質(zhì)及開采條件

龐龐塔煤礦位于山西省呂梁市臨縣木瓜坪鄉(xiāng)龐龐塔村。礦井現(xiàn)開采10#煤層，屬石炭、二疊系下統(tǒng)山西組，煤層埋深600 m。10#煤層平均厚度為11.8 m，煤層傾角為3～19°。煤層中含多層夾矸，夾矸厚度為0.3～0.7 m，夾矸成份主要以炭質(zhì)泥巖為主，10#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬特厚煤層，主采10#煤層直接頂為深灰色石灰?guī)r，厚度約為16 m；煤層底板為淺黑色砂質(zhì)泥巖，厚度約為3 m。煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1　煤層柱狀圖Fig.1　Seam histogram

特厚煤層107工作面綜放開采后，其覆巖結(jié)構(gòu)、采場(chǎng)頂板冒落范圍、裂隙帶發(fā)育程度均較大?；卷敾顒?dòng)過程中對(duì)靠近采空區(qū)側(cè)的煤柱產(chǎn)生持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的影響。主要表現(xiàn)為107綜放工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力的峰值點(diǎn)由淺部向深部轉(zhuǎn)移，影響范圍較大，沿空掘巷兩幫煤體穩(wěn)定性差，造成巷道維護(hù)困難。

針對(duì)上述特厚煤層沿空掘巷維護(hù)特點(diǎn)，考慮減小煤炭損失量，提高巷道維護(hù)和回采率，為此提出合理留設(shè)小煤柱并開展相應(yīng)的工業(yè)性試驗(yàn)。

試驗(yàn)地點(diǎn)選在龐龐塔煤礦107綜放工作面，運(yùn)輸巷道與回風(fēng)巷道埋深為460 m。工作面傾向長(zhǎng)200 m走向長(zhǎng)1100 m，采用特厚煤層綜放開采一次采全厚，采高3.0 m，放煤厚度8.8 m。綜放面運(yùn)輸巷道與回風(fēng)巷道沿煤層底板掘進(jìn)，其頂部留有2～3 m厚的頂煤，綜放面兩巷道為矩形斷面，巷道斷面積至少15 m2。

2　煤柱寬度的理論計(jì)算

如圖2所示，以煤巷兩幫應(yīng)力分布特征和極限平衡理論為依據(jù)[9-10]，結(jié)合錨桿支護(hù)作用，確定煤柱合理留寬的計(jì)算公式為：

B=X1+X2+X3

(1)

(2)

X3=(0.15～0.35)(X1+X2)

(3)

圖2　小煤柱寬度計(jì)算模型Fig.2　Calculation model of small coal pillar width

按照極限平衡理論，將表1中參考實(shí)測(cè)的所需參數(shù)值代入式(1)～(3)，計(jì)算得：

X1=4.7 m，X3=1～2.3 m

則煤柱合理留寬：B=X1+X2+X3=7.7～9 m

因此，小煤柱留設(shè)寬度以7.7～9 m為宜。

3　煤柱合理寬度的數(shù)值模擬分析

3.1　數(shù)值計(jì)算模型及力學(xué)參數(shù)

根據(jù)龐龐塔煤礦10#煤層圍巖物理力學(xué)參數(shù)及煤層地質(zhì)特征，建立FLAC3D數(shù)值模擬模型，數(shù)值模擬的邊界條件為：模型左右邊界為水平位移條件約束，下邊界為垂直位移條件約束，上邊界為自由邊界，上邊界施加均布載荷。模型尺寸：計(jì)算模型的尺寸選取為長(zhǎng)×寬×高為600 m×500 m×300 m。龐龐塔礦10#煤層圍巖物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1　計(jì)算參數(shù)選取

表2　10#煤層圍巖物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試結(jié)果

3.2　首采面回采的應(yīng)力分布情況

工作面的采動(dòng)破壞了最初穩(wěn)定的圍巖應(yīng)力場(chǎng)，使圍巖應(yīng)力場(chǎng)重新分布。工作面頂?shù)装逄幱谛秹籂顟B(tài)，工作面兩端頭有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從工作面上端頭一側(cè)的應(yīng)力分布特征圖3可以看出，應(yīng)力降低區(qū)分布在距工作面上端頭的8 m處；應(yīng)力集中區(qū)分布在距工作面上端頭的10～15 m處，垂直應(yīng)力最大為30 MPa。

圖3　工作面上端頭應(yīng)力分布云圖Fig.3　Nephogram of stress distribution at the upper end of the working face

煤柱的側(cè)向支承壓力可以直觀地反映煤體應(yīng)力分布特征，有利于確定合理的煤柱留設(shè)寬度。由煤柱側(cè)向支承壓力分布情況圖4可知，距離采空區(qū)9 m以內(nèi)，煤柱側(cè)向支承壓力值低于原巖應(yīng)力值12.5 MPa，處于應(yīng)力降低區(qū)；距采空區(qū)13 m處，煤柱側(cè)向支承壓力值達(dá)到最大，支承壓力峰值為33 MPa。

圖4　側(cè)向支承壓力分布特征Fig.4　Characteristics of lateral abutment pressure distribution

根據(jù)煤柱側(cè)向支承壓力分布情況曲線圖得出的應(yīng)力降低區(qū)在距離采空區(qū)9 m以內(nèi)，結(jié)合上述理論計(jì)算得出小煤柱的留寬尺寸為7.7～9 m；綜合考慮提出了煤柱留寬方案為6 ，7，8 ，9 m。通過數(shù)值模擬對(duì)比不同煤柱留寬方案在掘巷和回采階段的圍巖應(yīng)力分布情況，確定小煤柱的合理留寬尺寸。

3.3　掘進(jìn)階段圍巖應(yīng)力分布情況

巷道掘進(jìn)期間，各煤柱留寬方案的圍巖應(yīng)力分布情況以煤柱寬度為6 ，9 m為例，由圖5和圖6可知，當(dāng)煤柱寬度為6 m時(shí)，距離巷道煤體側(cè)5～15 m區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值區(qū)在7～10 m處，最大垂直應(yīng)力為29.8 MPa；當(dāng)煤柱寬度為9 m時(shí)，距離巷道煤體測(cè)5～13 m區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力峰值區(qū)在7～8 m處，最大垂直應(yīng)力為31.6 MPa。綜上所述，不同寬度的煤柱，巷道圍巖都處于應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)距巷道煤體測(cè)得距離為5～15 m，應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力為25～31.6 MPa。

圖5　煤柱寬度6 m的應(yīng)力分布云圖Fig.5　Pile width of 6 m stress distribution

圖6　煤柱寬度9 m的應(yīng)力分布云圖Fig.6　Pile width of 9 m stress distribution

為了直觀反映煤柱應(yīng)力分布區(qū)域和應(yīng)力值的大小，取煤層底板以下3 m沿傾向作1條觀測(cè)線，繪制了煤層底板垂直應(yīng)力分布曲線圖(圖7)。

圖7　煤層底板垂直應(yīng)力分布曲線Fig.7　Vertical stress distribution curve of coal seam floor

由圖7可知，當(dāng)煤柱寬度為6 m時(shí)，煤柱向底板傳遞的最大垂直應(yīng)力為3.5 MPa；煤柱寬度在7，8 m時(shí)的最大垂直應(yīng)力分別為4，4.8 MPa；煤柱寬度為9 m時(shí)，最大垂直應(yīng)力為6 MPa。不同寬度的煤柱向煤層底板傳遞的最大應(yīng)力值均低于原巖應(yīng)力，處于應(yīng)力降低區(qū)。應(yīng)力峰值區(qū)在距巷道右側(cè)7～10 m處且應(yīng)力峰值為25.5～27 MPa。

綜上所述，巷道掘進(jìn)時(shí)期，煤柱及巷道圍巖均處于應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力集中區(qū)在距巷道右側(cè)5～15 m處且應(yīng)力峰值區(qū)在距巷道右側(cè)7～10 m處。僅考慮巷道掘進(jìn)時(shí)期的圍巖應(yīng)力變化特征缺乏明顯性，因此需要對(duì)二次回采時(shí)期的圍巖應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究。

3.4　二次回采階段圍巖應(yīng)力分布情況

二次回采期間，各煤柱留寬方案的圍巖應(yīng)力分布情況以煤柱寬度為7 ，9 m為例，由圖8和圖9可知，煤柱始終處于應(yīng)力降低區(qū)，二次回采期間不同寬度煤柱均受壓變形，煤柱寬度越大，變形效果越明顯。

圖8　煤柱寬度7 m的應(yīng)力分布云圖Fig.8　Pile width of 7 m stress distribution

圖9　煤柱寬度9 m的應(yīng)力分布云圖Fig.9　Pile width of 9 m stress distribution

當(dāng)煤柱寬度為9 m時(shí)，可以看出在煤柱中部1～2 m范圍處出現(xiàn)彈性區(qū)域，煤柱可以承受更大的載荷，提高煤柱的承載能力，使煤柱具有更好的穩(wěn)定性。

1)底板垂直應(yīng)力分布情況對(duì)比

由圖10可知，當(dāng)煤柱寬度為6 m時(shí)，煤柱向底板傳遞的最大垂直應(yīng)力為2.6 MPa，應(yīng)力分布曲線呈單峰狀；煤柱寬度在7，8 m時(shí)的最大垂直應(yīng)力分別為2.7，3 MPa；煤柱寬度為9 m時(shí)，最大垂直應(yīng)力為3.5 MPa，此時(shí)應(yīng)力分布曲線波峰近似呈平緩狀態(tài)，表明煤柱的承載能力較好。不同寬度的煤柱向底板傳遞的最大應(yīng)力值均低于原巖應(yīng)力，采空區(qū)一側(cè)的煤柱仍處于應(yīng)力降低區(qū)。

圖10　底板垂直應(yīng)力分布曲線Fig.10　Vertical stress distribution curve of floor

2)煤柱主應(yīng)力分布情況對(duì)比

各煤柱留寬方案的煤柱彈性核區(qū)主應(yīng)力分布情況以煤柱寬度為8，9 m為例，由圖11和圖12可以看出，應(yīng)力集中區(qū)域在煤柱對(duì)角線處，這一現(xiàn)象是由10#煤層傾角較大造成煤柱上下受力不在垂向方向而偏向?qū)蔷€方向。當(dāng)煤柱寬度為8 m和9 m時(shí)，彈性核區(qū)最大主應(yīng)力分別為4.8 MPa和5.5 MPa。煤柱最大主應(yīng)力仍低于原巖應(yīng)力，表明巷道圍巖仍處于應(yīng)力降低區(qū)。

圖11　煤柱寬度8 m的主應(yīng)力分布云圖Fig.11　The distribution of principal stress of coal pillar with width of 8 m

圖12　煤柱寬度9 m的主應(yīng)力分布云圖Fig.12　The distribution of principal stress of coal pillar with width of 9 m

3.5　煤柱合理留寬方案的確定

以理論計(jì)算得出的煤柱留寬尺寸為7.7～9 m為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬對(duì)比分析不同寬度的煤柱在掘巷和二次回采期間圍巖應(yīng)力分布情況，最終確定煤柱合理留寬為9 m。合理煤柱的留設(shè)不僅有利于巷道維護(hù)，還便于提高回采率。在巷道穩(wěn)定性方面，需加強(qiáng)對(duì)巷道的支護(hù)(尤其是靠小煤柱一幫)，進(jìn)一步通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析巷道表面位移變形量。

4　現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及分析

4.1　沿空掘巷巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)龐龐塔煤礦沿空巷道進(jìn)行支護(hù)方案設(shè)計(jì)，巷道斷面為矩形，巷道掘?qū)?.8 m，掘高3.6 m，掘進(jìn)斷面17.28 m2。107綜放工作面沿空巷道釆用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿加強(qiáng)支護(hù)材料采用Φ22 mm×2 400 mm金屬螺紋鋼錨桿，螺紋長(zhǎng)度150 mm。采用樹脂加長(zhǎng)錨固，間排距為1 000 mm×1 000 mm，錨桿垂直巷道布置；頂板采用10#菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格為5 600 mm×1 100 mm；錨索材料為Φ21.8 mm鋼絞線，長(zhǎng)度6 300 mm，錨索布置在兩排錨桿間頂板中部，間排距為1 200 mm×1 600 mm。

兩幫錨桿支護(hù)材料采用Φ22 mm×2 400 mm金屬螺紋鋼錨桿，采用樹脂端部錨固，間排距為1 000 mm×1 000 mm，底角錨桿可與水平線成45°夾角外，其他錨桿均垂直巷道布置。兩幫采用10#菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格為3 500 mm×1 100 mm。

4.2　巷道圍巖監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法

試驗(yàn)地點(diǎn)選在107綜放工作面，在工作面巷道內(nèi)安設(shè)4個(gè)測(cè)站，分別在正巷布置2個(gè)測(cè)站，副巷布置2個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站間距保持25 m。1#，3#測(cè)站與2#，4#測(cè)站位置及與工作面的距離關(guān)系如圖13所示。

圖13　測(cè)站與工作面位置Fig.13　Location diagram of station and work face

每個(gè)測(cè)站包括兩幫位移監(jiān)測(cè)和巷道高度監(jiān)測(cè)，區(qū)段煤柱合理寬度按9 m留設(shè)，采用十字布點(diǎn)法[11-12]安設(shè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)站如圖14所示。

圖14　巷道表面位移監(jiān)測(cè)站Fig.14　Roadway surface displacement monitoring station

在頂?shù)装搴蛢蓭椭胁看蛉腴L(zhǎng)400 mm的木樁并在木樁端頭安設(shè)相應(yīng)的測(cè)釘。利用鋼卷尺測(cè)讀AB，CD值。測(cè)量頻率為在距工作面45 m以內(nèi)，每天觀測(cè)一次。

4.3　巷道表面位移觀測(cè)分析

由圖15可知，1#，3#測(cè)站距回采工作面越近，兩幫變形量和頂?shù)装遄冃瘟吭酱?，在距回采工作?6 m處，1#測(cè)站監(jiān)測(cè)到兩幫位移變形量的穩(wěn)定值為105 mm，頂?shù)装遄畲笪灰谱冃瘟繛?20 mm；3#測(cè)站監(jiān)測(cè)的兩幫變形量較穩(wěn)定，距回采工作面15～21 m，最終兩幫位移變形量為55 mm；距回采工作面15～23 m，巷道頂?shù)装遄冃瘟糠€(wěn)定在141 mm。

2#測(cè)站監(jiān)測(cè)的兩幫位移變形量較小，距回采工作面15～20 m，兩幫最大位移變形量為60 mm；頂?shù)装遄冃瘟枯^大，在距回采工作面15～20 m時(shí)達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?20 mm；4#測(cè)站監(jiān)測(cè)的兩幫位移變形量和頂?shù)装遄冃瘟慷驾^小，均在距回采工作面15～30 m，兩幫最大位移變形量為55 mm，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?8 mm。

圖15　正、副巷測(cè)站巷道表面位移曲線Fig.15　Surface displacement curve of tunnel at station 1#，3#

1#，2#和3#，4#測(cè)站位于兩巷超前同距離，對(duì)比分析可知，1#測(cè)站與2#測(cè)站監(jiān)測(cè)的頂?shù)装遄冃瘟枯^大，均在距回采工作面15～20 m，達(dá)到最大位移變形量并逐漸趨于穩(wěn)定；兩幫變形量較頂?shù)装遄冃瘟棵黠@減小，在距回采工作面20 m，均達(dá)到最大變形量。3#，4#測(cè)站監(jiān)測(cè)的頂?shù)装遄冃瘟吭诰嗷夭晒ぷ髅?0 m，達(dá)到最大位移變形量，隨后逐漸趨于穩(wěn)定；在整個(gè)回采過程中，3#，4#測(cè)站所反映的兩幫位移曲線基本重合，且兩幫變形量較小。

從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，按9 m留設(shè)小煤柱，巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟枯^小，均符合生產(chǎn)要求，巷道圍巖穩(wěn)定，小煤柱留寬合理。

5　結(jié)論

1)分析礦井煤層地質(zhì)條件、開采條件及煤柱與巷道圍巖的結(jié)構(gòu)關(guān)系，確定了特厚煤層綜放開采留設(shè)小煤柱是可行的，并通過理論計(jì)算得出小煤柱留寬為7.7～9 m。

2)通過數(shù)值模擬對(duì)比不同煤柱的留寬方案在掘進(jìn)巷道期間和二次回采期間的圍巖應(yīng)力分布情況，確定小煤柱的合理留寬為9 m，其中存在一定范圍的彈性區(qū)域，煤柱承載能力優(yōu)于其他方案。

3)特厚煤層小煤柱沿空巷道在錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)下，有效控制了沿空巷道圍巖變形，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)煤柱寬度為9 m時(shí)的巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟烤^小，巷道圍巖穩(wěn)定，支護(hù)效果較好，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

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