王建輝，武謀達

(彬長礦業(yè)集團 文家坡煤礦，陜西 彬長 713504)

長期以來，留設(shè)區(qū)段煤柱一直是我國煤礦井工開采中隔離采空區(qū)和維護下區(qū)段巷道的主要方式[1]。從國內(nèi)外研究發(fā)展趨勢來看，區(qū)段煤柱的留設(shè)方式主要有兩種：一種為寬煤柱方式，把巷道布置在壓力峰值以外，從而減少對巷道的破壞；另一種為窄煤柱或無煤柱護巷方式，縮小煤柱尺寸，減少資源浪費[2]。兩種護巷方式的研究與發(fā)展水平也各具特色，在不同條件下都有較廣泛的應(yīng)用。但實際生產(chǎn)卻一直被合適的煤柱寬度所困擾，特別是現(xiàn)在提倡科學(xué)開采的情況下，對煤柱寬度的確定提出了更高的要求。

1 工作面?zhèn)认驊?yīng)力實測分析

文家坡礦41盤區(qū)平均埋深650～700m，4102工作面長240m，平均采高3.5m，4102與4103工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度44.5m。利用鉆孔應(yīng)力計對4102工作面回采期間面間煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布進行實測分析。由于煤柱尺寸大，水平小直徑深孔施工困難，因此采取兩側(cè)對等布置方式，即4102回風(fēng)巷和4103運輸巷兩幫均布置測站，鉆孔深度分別為3m，6m，9m，12m，15m，18m和21m，孔間距1m，如圖1所示。

圖1 鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測測站示意

對實測數(shù)據(jù)進行增量處理并繪制曲線，得到煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力分布情況，如圖2所示。

圖2 煤柱幫側(cè)向支承壓力增量分布

由圖2可以看出：隨著工作面推進，在采動影響下區(qū)段煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力不斷增加；煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)“雙峰一谷”形態(tài)，雙峰位置大約分別在煤柱內(nèi)12m與36m處，寬24m，峰值增量分別為7MPa，6.5MPa，應(yīng)力曲線“谷”的范圍大致在17～34m。在此17m寬度的范圍內(nèi)，煤柱支撐壓力處于平緩且較低的水平上，應(yīng)力值變化不大，可以看作是煤柱內(nèi)一定寬度的彈性區(qū)，具有較強的承載能力。分析可得：可以適當(dāng)縮減煤柱寬度，使煤柱應(yīng)力分布的“雙峰”向“谷”靠攏，縮減“谷”的寬度，但仍使其具有足夠的彈性區(qū)來發(fā)揮承載作用[3]。

建議煤柱的優(yōu)化可以縮減“谷”的寬度，其寬度可以由44.5m縮小10～15m，減為30～35m。

2 煤柱應(yīng)力分布理論分析

2.1 工作面回采后煤柱內(nèi)應(yīng)力分布

當(dāng)回采巷道一側(cè)工作面回采結(jié)束后，煤體內(nèi)應(yīng)力分布如圖3所示。圖中F(ε)表示工作面回采對右側(cè)實體煤內(nèi)應(yīng)力的影響，其中f1(ε)為對塑性區(qū)內(nèi)煤體應(yīng)力的影響，塑性區(qū)(側(cè)向支承壓力峰值內(nèi))煤柱內(nèi)應(yīng)力的垂直應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)；f2(ε)為對彈性區(qū)煤體應(yīng)力的影響[4]。

圖3 工作面回采后煤體內(nèi)應(yīng)力分布

(1)

式中，C0為煤層界面黏聚力，6.62MPa；φ為煤層界面內(nèi)摩擦角，28.81°；pi為錨桿支護強度，0.2MPa；λ1為工作面附近煤柱內(nèi)應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)，取1；m為巷道高度，3.8m；B為煤柱寬度，44.5m；x1為工作面回采后塑性區(qū)范圍，m。

塑性區(qū)范圍由式(2)計算。

(2)

式中，k1為工作面回采對煤柱內(nèi)應(yīng)力的增高系數(shù)，γ為容重，2.5kN/m3；H為巷道埋深，650m。

塑性區(qū)以外煤柱內(nèi)應(yīng)力滿足Weibull分布，Weibull分布函數(shù)表達式為：

(3)

式中，x為隨機變量，即距離巷道壁距離；xw為比例參數(shù)。

根據(jù)式(2)，結(jié)合塑性區(qū)外煤柱內(nèi)應(yīng)力的分布規(guī)律，代入相關(guān)參數(shù)，得f2(ε)。

f2(ε)=(k1-1)γHse1-s+γH，ε[x1-B/2，+∞)

(4)

其中，s=(ε+xf+B/2-x1)/xf。

式中，xf為調(diào)節(jié)函數(shù)緩急程度的參數(shù)。

式(4)中，f2(ε)為單峰函數(shù)，當(dāng)ε=x1-B/2時，峰值f2(ε)=k1γH。k1大則應(yīng)力峰值大，故可通過改變k1去調(diào)節(jié)應(yīng)力峰值的大小，以此來反映工作面開采對煤柱中心支承壓力峰值的影響程度。通過增大或減小xf來調(diào)節(jié)在ε→+∞的過程中，f2(ε)下降過程中的緩、急程度。隨著向煤體深部發(fā)展，f2(ε)逐漸減小至原巖應(yīng)力。根據(jù)上述分析可知，工作面回采對煤柱中心應(yīng)力的影響情況為：

(5)

2.2 留設(shè)煤柱合理寬度確定

根據(jù)文家坡礦生產(chǎn)地質(zhì)條件及相關(guān)測試結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，取計算參數(shù)如下：巷道平均埋深H=637m，巖層密度ρ=2.5×103kg/m3，煤層厚度m=3.93m，錨桿支護強度pi=0.2MPa，煤層黏聚力C0=6.62MPa，煤層內(nèi)摩擦角為φ=28.81°，工作面回采后實體煤幫支承應(yīng)力增高系數(shù)1.5，塑性區(qū)內(nèi)側(cè)壓系數(shù)為1.0；巷道開挖后煤體一側(cè)支承壓力增高系數(shù)1.3，塑性區(qū)內(nèi)側(cè)壓系數(shù)為1.0。

護巷保持穩(wěn)定的基本條件是：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核，該彈性核寬度不小于煤柱高度的2倍[5]。因此，4102工作面回風(fēng)巷側(cè)區(qū)段煤柱合理寬度為

B>x0+2m+x1

(6)

(7)

式中，x0為煤柱左側(cè)塑性區(qū)寬度；x1為煤柱右側(cè)塑性區(qū)寬度；λ1為回采后實體煤幫支承應(yīng)力增高系數(shù)，取1.5；k1為塑性區(qū)內(nèi)側(cè)壓系數(shù)，取1.0；λ2為巷道開挖后煤體一側(cè)支承壓力增高系數(shù)，取1.3；k2為塑性區(qū)內(nèi)側(cè)壓系數(shù)，取1.0。

(8)

由于煤柱寬度不同，相應(yīng)的煤柱塑性區(qū)內(nèi)寬度也不同，代入?yún)?shù)求解式(6)、(7)、(8)，得2m=7.86m，且求得x0=11.2m，x1=8.9m，則B>28.96m。同時考慮給4102回風(fēng)巷支護保留一定的安全系數(shù)1.2，則煤柱寬度應(yīng)大于34.75m，確定煤柱寬度為35m。

3 煤柱應(yīng)力分布數(shù)值模擬分析

應(yīng)用FLAC3D軟件，在4102工作面?zhèn)然夭伞?103巷道已形成并受到4102采空區(qū)采動影響的情況下，通過對煤柱寬度方向上應(yīng)力分布狀態(tài)以及兩區(qū)段回采巷道的變形與破壞過程進行模擬分析，由此來為煤柱寬度的合理確定提供指導(dǎo)。

3.1 模型建立與參數(shù)選取

根據(jù)文家坡礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立FLAC3D數(shù)值計算模型。模型包括4號煤及其上下部巖層共計28層，模型總厚度91m，寬度206m，沿巷道軸向方向150m，即模型尺寸為206m×150m×91m。兩側(cè)邊界及前后邊界均施加水平位移約束，底部邊界施加垂直位移約束，上部邊界施加均布載荷，均布載荷的大小根據(jù)上覆巖層自重計算。上覆巖層密度取2500kg/m3，4號煤層埋深確定為678m，確定模型上部施加16.95MPa的均布載荷，模擬上覆巖層自重，側(cè)壓系數(shù)取1。

根據(jù)文家坡礦煤巖體力學(xué)參數(shù)實測結(jié)果，確定模型煤巖體力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 模型煤巖參數(shù)

數(shù)值計算模型與初始應(yīng)力平衡如圖4所示。

圖4 FLAC3D數(shù)值模型建立

3.2 模型求解

模擬計算4102工作面分別推進0m(4102和4103回風(fēng)巷掘進結(jié)束)，40m，80m，120m時面間煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布情況，得到的煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布情況如圖5所示。將數(shù)值模擬得到的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖6所示。

由圖6可以看出：隨工作面推進，在采動影響下煤柱內(nèi)的支承壓力不斷增加；面間煤柱內(nèi)應(yīng)力分布曲線呈現(xiàn)“雙峰一谷”的形態(tài)，各曲線雙峰位置大約分別在面間煤柱內(nèi)11m，37m處，曲線圖“谷”的范圍大致在17～36m范圍內(nèi)。在“谷”19m寬度的范圍內(nèi)，工作面間區(qū)段煤柱支撐壓力處于平緩且較低的水平上，應(yīng)力峰值變化很小，可以看作是煤柱內(nèi)的一定寬度的彈性區(qū)，具有較強的承載力[6]；煤柱內(nèi)其他范圍的煤體則已發(fā)生塑性屈服，只具有一定的承載力，可以適當(dāng)減少圖6中“谷”區(qū)間的寬度。

圖5 4102工作面推進過程中煤柱應(yīng)力云圖

圖6 4102工作面推進過程中煤柱垂直應(yīng)力分布曲線

3.3 煤柱留設(shè)寬度確定

根據(jù)煤柱留設(shè)原理，煤柱的寬度是由中部的彈性核寬度和兩側(cè)的塑性區(qū)寬度組成的，當(dāng)彈性核寬度大于等于2倍的煤層采高時，煤柱就能夠保持穩(wěn)定[7]。

綜上所述，建議煤柱留設(shè)寬度為35m，其中部存在寬度大于2倍的煤層采高(3.93m)7.8m的彈性核，并留有一定的富余量。

4 結(jié) 論

(1)由實測數(shù)據(jù)可知，區(qū)段煤柱的側(cè)向支承壓力隨工作面推進不斷增加，其分布呈現(xiàn)“雙峰一谷”的形態(tài)；理論分析得煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核區(qū)；數(shù)值模擬分析得出與實測數(shù)據(jù)近似的規(guī)律(“雙峰一谷”)。因此，4102工作面回風(fēng)側(cè)煤柱可以適當(dāng)減小。

(2)對煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律通過理論計算、數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測分析，綜合考慮煤炭回收的高效性、煤柱留設(shè)承載的安全性、現(xiàn)場施工的便利性，建議留設(shè)煤柱寬度為35m。