趙海兵，孫文忠

(同煤國電同忻煤礦有限公司， 山西 大同 037000)

據(jù)不完全統(tǒng)計，特厚煤層綜放開采時由區(qū)段煤柱造成的煤炭損失高達(dá)36.7%，在礦井煤炭損失中居首位[1]. 為提高煤炭產(chǎn)出率，避免資源浪費(fèi)，無煤柱護(hù)巷技術(shù)是目前的主要解決手段，其中特厚煤層條件下以沿空掘巷小煤柱為主。沿空掘巷小煤柱的合理留設(shè)寬度受不同地質(zhì)條件、不同開采技術(shù)工藝、不同采空區(qū)時空演繹關(guān)系等影響較大，為此，我國學(xué)者進(jìn)行了大量研究。

祁方坤等[2]依據(jù)采空區(qū)側(cè)向壓力分布規(guī)律和極限平衡理論確定了區(qū)段煤柱合理的留設(shè)寬度范圍，結(jié)合山東某礦具體地質(zhì)條件通過數(shù)值模擬確定了該礦最終的煤柱留設(shè)寬度。崔楠等[3]通過探究彈性應(yīng)變能的計算方法研究了小煤柱中彈性應(yīng)變能的分布特征，并分析了不同煤柱寬度下巷道表面位移、塑性區(qū)分布和巷幫應(yīng)力等參量的影響規(guī)律。殷帥峰等[4]為解決小煤柱巷道掘進(jìn)初期巷道變形量大的問題，運(yùn)用CT掃描技術(shù)研究了巷道兩側(cè)煤體的微裂隙演化規(guī)律，并提出了小煤柱巷道的非對稱支護(hù)技術(shù)。以上關(guān)于小煤柱沿空掘巷的研究多集中于煤柱應(yīng)力狀態(tài)分析以及小煤柱巷道的圍巖控制研究，而針對大同礦區(qū)特厚煤層大采高綜放工作面這種特殊地質(zhì)條件下煤柱合理留設(shè)寬度的研究相對較少。

以同煤集團(tuán)同忻礦為背景，探究該礦特厚煤層綜放工作面小煤柱的合理留設(shè)寬度，以期解決以往大煤柱巷道生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的強(qiáng)巷道礦壓問題和大煤柱巷道所造成的資源浪費(fèi)問題。

1 工程概況

同忻礦8305工作面位于三盤區(qū)南部，工作面北部為8307采空區(qū)，南部為實體煤，西部為銀塘溝村保安煤柱，東部為三盤區(qū)輔運(yùn)大巷。工作面傾向長約200 m，可采長度為1 034 m，平均埋深530 m. 工作面布置見圖1.

圖1 8305工作面布置圖

同忻礦8305工作面所在區(qū)域煤層厚度介于7.24～17.98 m，平均厚度13.76 m，傾角1°～2°，平均傾角1.5°，煤層普氏硬度1.59，煤層直接頂為火成巖，煤層底板為高嶺巖，煤層柱狀見圖2.

圖2 8305工作面柱狀圖

2 沿空掘巷小煤柱寬度確定

2.1 煤柱寬度理論分析

煤層回采后，回采上方覆巖垮落形成采空區(qū)，破壞了原巖應(yīng)力平衡，經(jīng)歷一定時間之后，采空區(qū)端部結(jié)構(gòu)受采空區(qū)中部下沉及其自身荷載影響形成三角形滑移區(qū)。隨著采空區(qū)的穩(wěn)定，三角滑移區(qū)塊體與采空區(qū)破碎巖體形成穩(wěn)定接觸，使得原本需要滑移區(qū)下部煤柱支承的載荷部分轉(zhuǎn)移至采空區(qū)，這是采空區(qū)側(cè)向支承壓力降低的根本原因。三角滑移區(qū)運(yùn)動模型見圖3.

圖3 三角滑移區(qū)運(yùn)動模型圖

根據(jù)同忻礦三盤區(qū)實際地質(zhì)條件，運(yùn)用彈塑性力學(xué)理論、極限平衡理論，建立煤柱側(cè)向支承壓力計算力學(xué)模型，見圖4，推導(dǎo)計算8307工作面回采后側(cè)向支承壓力分布情況，確定沿空掘巷小煤柱合理留設(shè)寬度。

M—煤層采厚 σx—水平應(yīng)力 σy—垂直應(yīng)力σyl—垂直應(yīng)力峰值 τxy—煤層與巖層間剪應(yīng)力x1—極限平衡區(qū)寬度 α—煤層傾角Px—煤柱所受水平約束力圖4 煤柱極限平衡區(qū)寬度計算力學(xué)模型圖

由于8305工作面煤層傾角平均為1.5°，為近水平煤層，力學(xué)模型中α可取0°，求解屈服區(qū)界面應(yīng)力的平衡方程及邊界條件[5-6]可得極限平衡區(qū)寬度為：

(1)

式中：

A—側(cè)壓系數(shù)，取0.91；

φ0—內(nèi)摩擦角，(°)，取28；

C0—黏聚力，MPa，取2；

Px—側(cè)向約束力，取0.

σyl為原巖垂直應(yīng)力，取13.25 MPa，煤層采厚M取工作面平均煤厚13.76 m，計算出8307采空區(qū)側(cè)向支承壓力降低區(qū)為0～12.77 m.為保證將巷道布置于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，巷道寬度為5.5 m，故5305巷小煤柱寬度最大為7.27 m.

2.2 側(cè)向支承壓力數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步分析8307采空區(qū)側(cè)向壓力的分布情況，采用FLAC3D有限元計算軟件進(jìn)行了模擬，方案如下：

根據(jù)8305工作面實際巖層覆存特征建立三維數(shù)值計算模型，在模型底部固定縱向位移，模型側(cè)部固定橫向位移，在模型頂部施加10.75 MPa垂直應(yīng)力用以模擬模型上覆巖層自重。布置測線于模型3-5#煤底板用以監(jiān)測模擬開挖過程中8307采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力分布狀況，數(shù)值模擬計算模型見圖5，上覆巖層模擬力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 煤、巖數(shù)值模擬參數(shù)表

圖5 數(shù)值計算模型圖

在8307采空區(qū)開挖過程中對采空區(qū)側(cè)向120 m范圍內(nèi)煤層底板的垂直應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測和處理，得到曲線見圖6. 從圖6中可以看出，8307工作面回采后在距離煤壁0～12 m支承壓力低于原巖應(yīng)力，與理論計算中的12.77 m基本吻合，通過數(shù)值模擬可得，5305巷小煤柱寬度最大為6.5 m.

圖6 采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承應(yīng)力分布圖

2.3 不同寬度煤柱受力分析

為探究不同煤柱寬度條件下巷道圍巖受力狀況，對不同煤柱寬度小煤柱巷道進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖7，8.

圖7 不同煤柱寬度巷道圍巖應(yīng)力分布圖

圖8 不同寬度下煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布曲線圖

由圖7，8可知，煤柱留設(shè)不同寬度時，煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布有很大區(qū)別。隨著煤柱寬度由5 m增加到8 m，煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中程度也在逐漸增加。當(dāng)煤柱寬度為5 m時，煤柱內(nèi)部最大垂直應(yīng)力為8 MPa；當(dāng)煤柱寬度為6 m時，煤柱內(nèi)部最大垂直應(yīng)力為9.1 MPa；當(dāng)煤柱寬度為7 m時，煤柱內(nèi)部最大垂直應(yīng)力為10.6 MPa；當(dāng)煤柱寬度為8 m時，煤柱內(nèi)部最大垂直應(yīng)力為14 MPa. 該數(shù)據(jù)表明，數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算基本一致，當(dāng)煤柱寬度小于7 m時，煤柱內(nèi)部應(yīng)力低于原巖應(yīng)力13.25 MPa，當(dāng)煤柱寬度大于7 m后，煤柱內(nèi)部應(yīng)力開始超過原巖應(yīng)力。因此，從數(shù)值模擬圍巖應(yīng)力結(jié)果來看，為將小煤柱巷道布置于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，則煤柱寬度最大為7 m.

2.4 不同寬度煤柱塑性區(qū)分析

煤柱不同寬度下塑性區(qū)分布見圖9，由圖9可以看出，當(dāng)煤柱寬度小于等于6 m時，煤柱內(nèi)部處于塑性破壞狀態(tài)；當(dāng)煤柱段大于等于7 m時，煤柱內(nèi)部開始出現(xiàn)彈性區(qū)域，并且彈性區(qū)域?qū)挾入S著煤柱寬度的增加而增加。由于小煤柱沿空掘巷的原則即為將巷道布置于塑性區(qū)內(nèi)，以保證巷道煤柱承受較小載荷，因而從數(shù)值模擬塑性區(qū)分布結(jié)果來看，為將小煤柱巷道布置于塑性區(qū)內(nèi)，則煤柱寬度最大為6 m.

圖9 不同煤柱寬度巷道塑性區(qū)分布圖

綜上所述，結(jié)合理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果，同時為了避免8307采空區(qū)水、火、瓦斯等影響小煤柱巷，最終確定同忻礦8305工作面小煤柱合理留設(shè)寬度為6 m.

3 工程應(yīng)用效果分析

為探索6 m小煤柱巷道實際生產(chǎn)過程中的圍巖變形情況，在巷道掘進(jìn)及工作面回采期間對5305小煤柱巷表面位移進(jìn)行了現(xiàn)場觀測，每間隔250 m設(shè)置一個表面位移觀測點，從巷口至切眼依次編號1—4，觀測結(jié)果見圖10，11. 觀測結(jié)果表明：巷道掘進(jìn)期間頂?shù)装遄畲笠平繛?9 mm，兩幫最大收斂量為88 mm；工作面回采期間巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?20 mm，兩幫最大收斂量為729 mm. 總體來說，在生產(chǎn)過程中5305小煤柱巷圍巖變形處于可控范圍內(nèi)，同忻礦6 m小煤柱沿空掘巷應(yīng)用效果良好。

圖10 掘進(jìn)期間巷道表面位移量圖

圖11 回采期間巷道表面位移量圖

4 結(jié) 論

1) 理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果表明，8307采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)為0～12 m.

2) 當(dāng)煤柱寬度大于7 m后，煤柱內(nèi)部應(yīng)力開始超過原巖應(yīng)力；當(dāng)煤柱寬度小于等于6 m時，煤柱內(nèi)部全部塑性破壞，因而最終確定5305小煤柱巷煤柱寬度為6 m.

3) 通過巷道圍巖變形監(jiān)測驗證了同忻礦6 m小煤柱寬度的合理性。