董良鉆

(山西焦煤霍州煤電呂臨能化有限公司，山西 臨縣 033200)

1 前言

采煤礦業(yè)正朝向機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化的開采方向發(fā)展，綜合性、集約型煤礦的數(shù)量越來越多，由此，大型綜放開采成為井下工作面的主流。但這種開采方式在采出大量煤礦資源的同時(shí)，也帶來了相鄰巷道斷面變形幅度大、開采環(huán)境惡劣的負(fù)面影響，出現(xiàn)了山體變形大、開采影響劇烈化現(xiàn)象?，F(xiàn)階段，各礦區(qū)通過留設(shè)20～50m不等寬煤柱支護(hù)維護(hù)沿空巷道，雖然暫時(shí)緩解了工作面和巷道所受的影響，但不合理的煤柱寬度浪費(fèi)了資源，不合理的布置會(huì)造成巷道受力不均，進(jìn)而出現(xiàn)冒頂、垮幫和底鼓現(xiàn)象，使開采工作陷入更加復(fù)雜的條件。煤柱寬度合理化對(duì)于提高煤炭資源回收率、保證沿空巷道穩(wěn)定以及實(shí)現(xiàn)綜合開采高產(chǎn)高效率意義重大。前人根據(jù)不同的地質(zhì)條件、開采方式和支護(hù)水平對(duì)綜放區(qū)煤柱的應(yīng)力情況和合理寬度進(jìn)行了深入探索。但龐龐塔煤礦9- 700工作面具有其獨(dú)特地質(zhì)條件，需要在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析成果進(jìn)行計(jì)算數(shù)值模擬，并考慮沿空巷道的變形過程，分析其側(cè)頂板下沉嚴(yán)重、冒漏、腰線偏離等實(shí)際情況才能確定煤柱合理寬度。因此，此研究將以具體綜放沿空巷道為對(duì)象，確定煤柱寬度合理范圍，為支護(hù)和避免變形提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)參考。

2 工程背景

以龐龐塔煤礦9- 700工作面工程地質(zhì)條件為背景，根據(jù)實(shí)測(cè)情況分析沿空巷道的煤組設(shè)置，龐龐塔煤礦9- 700工作面所處的9號(hào)煤層屬于典型的穩(wěn)定厚煤層，傾角在5°～14°，煤層厚度在5.12～14.34m，平均厚度為12.4m。煤層的偽頂屬于炭質(zhì)泥巖，平均厚度為50mm,易離層垮落；煤層的直接頂屬于泥灰?guī)r，平均厚度為6.7m，具有比較強(qiáng)的硬度，不易冒落；巷道底板也屬于炭質(zhì)泥巖，平均厚度為2.01m。采面走向長度約為2 355m，傾斜長度約為233m,采用綜放采煤，采煤高度為2.3m,放煤高度為8.9m。

3 合理煤柱尺寸的確定

巷道煤柱可分擔(dān)巷道承受載荷，其主要受力來自煤柱上覆巖層，單側(cè)幫、雙側(cè)幫采空區(qū)轉(zhuǎn)移到煤柱上的負(fù)荷。

(1)煤柱上覆巖層的總載荷：

P=[(B+D)H-(D2cotδ)/4]γ

式中：B——煤柱寬度；

D——采空區(qū)寬度；

H——巷道埋深；

δ——采空區(qū)上覆巖層垮落角；

γ——上覆巖層平均體積力。

(2)煤柱單位面積上的平均載荷即平均應(yīng)力：

σ=P/B

式中：B——煤柱寬度；

P——煤柱上覆巖層的總載荷。

(3)煤柱寬度必須保證煤柱的極限載荷σ不超過極限強(qiáng)度R，其中R為：

R=0.778+0.222B/h

式中：B——煤柱寬度；

h——煤柱高度。

開采巷道煤柱需要承受的載荷因煤柱的不同位置而不同。采空區(qū)上覆巖層跨落角、采空區(qū)寬度使得煤柱邊緣部分需要承受較大的力，但煤柱邊緣范圍內(nèi)的煤體抗壓強(qiáng)能力比較差，會(huì)出現(xiàn)不同程度的切刀損壞現(xiàn)象?；夭上锏姥孛褐膬蓚?cè)分別形成兩個(gè)塑性變形區(qū)，如果兩側(cè)形成的塑性變形區(qū)寬度超過煤柱寬度，就會(huì)超過煤柱所能承受的負(fù)載，進(jìn)而出現(xiàn)崩塌情況。

針對(duì)龐龐塔9- 700工作面采用上述公式的載荷估算法，代入?yún)?shù)值D=200m，H=400m，h=3.5m，煤的單軸抗壓強(qiáng)度為11MPa，采空區(qū)上覆蓋層垮落角為30°，上覆巖層平均體積力為24kN/m3。計(jì)算得B=17.9m。又根據(jù)極限平衡理論，B為19.6m。綜合以上分析計(jì)算，護(hù)巷煤柱合理寬度為20m。

4 數(shù)值模擬分析

采用數(shù)值模擬軟件FLAC 3D運(yùn)用莫爾—庫倫(Mohr- Coulomb)屈服準(zhǔn)則分析不同煤柱寬度對(duì)巖體變形、判斷巖體是否遭到破壞的影響并建立數(shù)值模型。建模所取巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

模擬結(jié)果顯示：當(dāng)煤柱寬度小于10m時(shí)，兩個(gè)塑性變形區(qū)相通，分布在整個(gè)煤柱上，使得煤柱失去彈性核區(qū)，從而難以承受外界應(yīng)力，嚴(yán)重破壞，失去平衡；當(dāng)煤柱寬度從10m增大時(shí)，兩塑性變形區(qū)相通的范圍逐漸縮小，對(duì)煤柱的破壞也減緩；當(dāng)煤柱寬度達(dá)到20m時(shí)，采空區(qū)側(cè)的塑性變形區(qū)寬度縮小到9m,巷道側(cè)的塑性變形區(qū)寬度縮小到3m,煤柱出現(xiàn)了彈性核區(qū)，寬度是8m，并可以保持穩(wěn)定狀態(tài)，不被破壞；當(dāng)煤柱寬度超過20m,繼續(xù)擴(kuò)大至30m時(shí)，煤柱的塑性保持穩(wěn)定，彈性區(qū)寬度進(jìn)一步擴(kuò)大。而30m也是煤柱寬度的臨界值，如果繼續(xù)擴(kuò)大，煤柱會(huì)更穩(wěn)定，但浪費(fèi)了煤礦資源，沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

由圖1可以看出，煤柱寬度與變形量的總體上趨勢(shì)是當(dāng)煤柱寬度增大時(shí)變形量逐漸減小。當(dāng)煤柱寬度大于20m時(shí)，圍巖的變形量隨著煤柱寬度的增大而緩慢減小，變化量越來越小。不同煤柱寬度作用于兩幫的變形量，沿走向工作面附近巷道兩幫水平位移較大，隨著工作距離增大，變形量減少。煤柱寬度從3m增至7m時(shí)，巷道兩幫的變形量逐漸減??；煤柱寬度從10m增至20m時(shí)，巷道兩幫水平變形量也逐漸減小。煤柱寬度從7m到10m，變形量卻增大很明顯。這說明20m是煤柱寬度的一個(gè)臨界點(diǎn)，在煤柱寬度大于20m后煤柱寬度再增大對(duì)巷道變形影響較小，而煤柱寬度小于20m時(shí)巷道變形量隨著煤柱寬度增加急劇減小。

圖1 不同煤柱寬度下巷道圍巖變形量

隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值在逐漸增大，兩幫垂直應(yīng)力峰值逐漸減小，說明煤柱寬度增大可以使煤柱承載能力逐步提高，兩幫承受的應(yīng)力有向煤柱轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。當(dāng)煤柱寬度達(dá)到一定值時(shí)，煤柱內(nèi)和兩幫承受的應(yīng)力峰值大體相等，此時(shí)，煤柱及兩幫都承受較大的應(yīng)力，而當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步加大時(shí)，煤柱起了主要承力作用。當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力不高，巷道周邊的最大位移區(qū)在煤柱的兩幫，煤柱的水平位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他寬度時(shí)的位移，會(huì)導(dǎo)致煤柱的破壞，甚至完全崩塌，失去支撐功能，無法確保巷道的穩(wěn)定。當(dāng)煤柱寬度稍微大于此寬度時(shí)，兩側(cè)的塑性區(qū)完全貫通，整個(gè)煤柱都會(huì)被破壞，也無法形成彈性核區(qū)，在垂直應(yīng)力分布上達(dá)到了單峰狀態(tài)，煤柱不會(huì)完全被壓垮，此時(shí)若能及時(shí)采取適當(dāng)措施，維護(hù)煤柱的穩(wěn)定，煤柱仍能保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)煤柱寬度為中等時(shí)，一方面煤柱內(nèi)的塑性區(qū)已經(jīng)貫通，煤柱內(nèi)巖體全部塑性屈服，煤柱中間不能形成彈性核區(qū)，另一方面，煤柱內(nèi)存在較大應(yīng)力峰值，不能轉(zhuǎn)移，使得煤柱受到很大的壓力，對(duì)穩(wěn)定性而言是很不利的。當(dāng)煤柱寬度較大時(shí)，煤柱垂直應(yīng)力呈雙峰分布，煤柱兩側(cè)均有塑性區(qū)，兩峰間存在彈性核區(qū)，這樣可以使煤柱足以支撐保持穩(wěn)定，但煤炭損失比較大，造成資源難以回收。所以考慮安全因素和經(jīng)濟(jì)因素，建議煤柱寬度在20m左右。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果，認(rèn)為合理煤柱寬度為20m，能夠保證窄煤柱沿空巷道圍巖穩(wěn)定，且煤柱寬度為20m時(shí)實(shí)際工程情況良好。經(jīng)數(shù)據(jù)分析表明，本文中方法確定的煤柱尺寸合理、可靠，為龐龐塔礦的綜放沿空巷道的合理布置和煤柱寬度等參數(shù)提供了合理的科學(xué)依據(jù)。在一定范圍內(nèi)，中等寬度的煤柱護(hù)巷，巷道位移量不隨煤柱寬度增大而減小，巷道穩(wěn)定性與寬度不完全成正比關(guān)系，并非煤柱越寬巷道越穩(wěn)定。煤柱寬度大的煤柱護(hù)巷，圍巖位移明顯變小，但是綜放型開采煤柱損失大，對(duì)于提高出采率不利。

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