李海峰，陳昭宏

(1.潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116)

近年來，隨著煤礦開采強(qiáng)度的不斷提高，開采深度在不斷加深，井下生產(chǎn)條件日益困難，巷道維護(hù)難題也愈發(fā)凸顯，成為制約煤礦安全、高效生產(chǎn)的重要因素[1-3]。王莊煤礦7105綜放工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計(jì)為小煤柱沿空掘巷，煤柱寬度的合理留設(shè)是保障巷道圍巖穩(wěn)定、以及工作面安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵，對(duì)提高煤炭資源采出率，延長礦井服務(wù)年限具有重要意義[4-7]。本文對(duì)此進(jìn)行研究，以確定7105輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空掘巷時(shí)煤柱寬度的合理尺寸。

1 工作面概況

王莊煤礦7105工作面位于71采區(qū)南部，工作面東部為漳澤水庫保護(hù)煤柱，西部為71采區(qū)大巷，南部為絳河保護(hù)煤柱，北部為正在回采的7103工作面。工作面采用兩進(jìn)一回的“W型”通風(fēng)方式，工作面平面布置如圖1所示。工作面開采3號(hào)煤層，煤層平均厚度為7.2 m，傾角為1～7°，埋深430～446 m，煤巖層綜合柱狀如圖2所示。當(dāng)7103工作面回采完畢后，7105輔助進(jìn)風(fēng)巷留一定寬度的護(hù)巷煤柱沿7103工作面采空區(qū)邊緣掘進(jìn)，巷道長1 690 m，沿煤層底板掘進(jìn)，與71采區(qū)膠帶輸送機(jī)巷相連，巷道斷面為4.5 m×3.2 m的矩形，用于7105工作面的輔助進(jìn)風(fēng)和材料運(yùn)輸。

2 煤柱尺寸理論計(jì)算

煤柱承受的負(fù)荷來自于兩個(gè)部分，一部分為其上覆巖層自身的重力，另一部分載荷是由煤炭采出后采空區(qū)上覆巖層轉(zhuǎn)移而來。單位長度煤柱上所承受的總載荷為：

式中：P為單位長度煤柱承受的總載荷，kN；B為煤柱寬度，m；D為采空區(qū)切眼長度，m；H為回采巷道埋深，430 m；δ為采空區(qū)上覆巖層垮落角，(°)；γ為上覆巖層平均容重， kN/m3。

圖1 工作面平面布置

煤柱的極限載荷為：

式中：R為煤柱承受的極限強(qiáng)度，MPa；Rc2為煤柱的單軸抗壓強(qiáng)度，取煤體單軸抗壓強(qiáng)度的1.15倍，MPa；h為煤柱高度，m。

若想要煤柱可以承受足夠負(fù)荷而不破壞，煤柱的寬度就需要寬到使其所受平均負(fù)荷不超過它的極限負(fù)荷，即：

王莊煤礦7105工作面采空區(qū)切眼長度為252 m，巷道埋深為430 m，上覆巖層垮落角約為40°，上覆巖層平均容重為25 kN/m3，煤體單軸抗壓強(qiáng)度經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測定為8.58 MPa，煤柱高度約為3.2 m。通過計(jì)算可得，合理煤柱寬度B≥8.08 m。

圖2 煤巖層綜合柱狀

3 煤柱尺寸數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

結(jié)合王莊煤礦7103工作面和7105工作面的地質(zhì)條件，采用FALC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，模擬不同寬度煤柱條件下的應(yīng)力和位移情況，從而確定合理的煤柱寬度。

建立的模型尺寸為長×寬×高=100 m×50 m×45 m，整個(gè)模型劃分為117 600個(gè)單元和123 328個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型計(jì)算遵循摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，模型四周為滑移邊界，底部為固定邊界，頂部施加γH=0.025×430=10.75 MPa的載荷。數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

設(shè)計(jì)煤柱寬度為5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m共8種數(shù)值模擬方案，分別構(gòu)建這8種煤柱寬度條件下的計(jì)算模型。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 模擬結(jié)果及分析

7105工作面回采期間不同寬度煤柱的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布曲線如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知：煤柱的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布形態(tài)相同，都是先增加到極值狀態(tài)然后逐漸減小。當(dāng)煤柱寬度從5 m增加到8 m時(shí)，煤柱上的垂直應(yīng)力最大值從18.1 MPa增加到27.5 MPa，增加了51.9%；煤柱上的水平應(yīng)力最大值從5.9 MPa增加到9.3 MPa，增加了57.6%。煤柱寬度從8 m增加到12 m時(shí)，煤柱上垂直應(yīng)力最大值和水平應(yīng)力最大值變化較小，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定階段。說明煤柱寬度大于8 m時(shí)，工作面回采過程中煤柱中心存在一定寬度的完整煤體，能夠承受工作面超前動(dòng)壓的影響，使得工作面安全回采。

圖4 不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布曲線

圖5 不同煤柱寬度水平應(yīng)力分布曲線

7105工作面回采期間不同寬度煤柱水平位移曲線如圖6所示。由圖6可知：不同煤柱的水平位移曲線形態(tài)相同，煤柱兩側(cè)水平位移大，煤柱中間水平位移小。當(dāng)煤柱寬度從5 m增加到8 m時(shí)，煤柱中心線上的水平位移最大值從835 mm減小到340 mm，減小了59.2%；煤柱煤柱中心線上不存在水平位移為0 mm的點(diǎn)。煤柱寬度從8 m增加到12 m時(shí)，煤柱中心線上的水平位移最大值從340 mm減小到257 mm，減小了24.2%；煤柱煤柱中心線上存在一定寬度水平位移為0 mm的點(diǎn)。說明煤柱寬度大于8 m時(shí)，工作面回采過程中煤柱中心存在不受工作面回采影響的點(diǎn)。

圖6 不同煤柱水平位移曲線

7105輔助進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形與煤柱寬度的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)煤柱寬度從5 m增加到8 m時(shí)，巷道圍巖變形隨煤柱寬度增大而減??；頂板下沉量從530 mm減小到280 mm，減小了47.1%；底鼓量從200 mm減小到180 mm，減小了10.0%；實(shí)體煤幫移近量從350 mm減小到250 mm，減小了28.6%；煤柱幫移近量從835 mm減小到400 mm，減小了52.1%。當(dāng)煤柱寬度大于8 m時(shí)，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

圖7 不同寬度煤柱下巷道圍巖變形曲線

根據(jù)窄煤柱合理寬度確定原則，7105沿空掘巷窄煤柱確定為8 m時(shí)，能夠保證煤柱本身完整性，且巷道表面收斂程度較小，利于巷道穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

通過理論計(jì)算，得出合理煤柱寬度為8.08 m；通過數(shù)值模擬，煤柱寬度選取為8 m時(shí)，既能夠保證煤柱本身完整性，利于巷道穩(wěn)定，又能夠減少巷道表面變形。綜合理論計(jì)算和數(shù)值模擬，最終確定煤柱寬度為8 m較為合理，建議7105輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空掘巷時(shí)按8 m的尺寸留設(shè)煤柱，既可以減少煤炭資源的浪費(fèi)，又能夠滿足工作面回采的要求。