侯大海

(陜西延長(zhǎng)石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司， 陜西 榆林市 719000)

0 引言

留設(shè)煤柱是我國(guó)煤礦中常用的護(hù)巷方法，護(hù)巷煤柱寬度過大會(huì)造成煤炭資源浪費(fèi)，護(hù)巷煤柱過小則不能起到保證巷道穩(wěn)定的作用。隨著煤層厚度的增加，留設(shè)煤柱造成的煤炭資源浪費(fèi)大大增加，但小煤柱留設(shè)帶來巷道設(shè)計(jì)、支護(hù)以及維修等一系列難題[1-5]。為此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于在小煤柱下的巷道支護(hù)進(jìn)行了大量研究。梁華杰等[6]分析了近距離煤層開采巷道布置的合理性，揭示了巷道布置與煤柱寬度耦合關(guān)系。趙明洲等[7]針對(duì)大厚度薄層復(fù)合頂板煤巷劇烈變形問題，提出了“高強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)技術(shù)”。諸多研究者多基于留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性，對(duì)區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸的問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究與探討，并取得了一定的研究成果，但針對(duì)特定條件下，大采高綜采工作面區(qū)段煤柱合理尺寸的問題卻鮮有研究，本文以長(zhǎng)平礦大采高綜采工作面為研究對(duì)象，從區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律、受力變形過程、護(hù)巷方式等多角度展開分析，針對(duì)礦井巷道小煤柱留設(shè)尺寸以及巷道支護(hù)相關(guān)問題，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等方法進(jìn)行研究，確定了巷道支護(hù)方案。

1 工程背景

長(zhǎng)平煤礦位于沁水煤田南部，可采煤層為3#煤層，煤層平均厚度為5.84 m，直接頂為泥巖，平均厚度9.89 m，直接底為砂紙泥巖，平均厚度4.13 m，老底為K6細(xì)粒砂巖，平均厚度3.15 m，礦井工作面采用多巷布置，巷間留設(shè)煤柱在40 m～60 m的范圍內(nèi)，回采巷道沿煤層底板掘進(jìn)，4305工作面布置如圖1所示。

目前，長(zhǎng)平煤礦在生產(chǎn)實(shí)踐中存在以下問題：

（1）護(hù)巷煤柱尺寸留設(shè)較大，導(dǎo)致大量煤炭資源不能得到有效回收，造成資源浪費(fèi)；

（2）圍巖穩(wěn)定性較差，隨著工作面的推進(jìn)，圍巖變形破壞嚴(yán)重，巷道頂板及兩幫變形量較大，部分區(qū)域甚至?xí)霈F(xiàn)局部冒落的現(xiàn)象，巷道返修量大，給安全施工帶來了嚴(yán)重威脅。

2 煤柱合理尺寸研究

2.1 煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

煤層開挖打破了煤巖層初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，改變了圍巖三維應(yīng)力場(chǎng)分布，造成煤柱上載荷集中[8]，易使煤柱出現(xiàn)“破裂-塑性-彈性”的明顯分區(qū)，護(hù)巷煤柱鉛直應(yīng)力以及彈塑性變形區(qū)域的分布情況如圖2所示。根據(jù)極限平衡理論可以確定護(hù)巷煤柱邊緣與煤柱支承壓力峰值的水平距離x0，其計(jì)算公式如式（1）所示。

式中，K為應(yīng)力集中系數(shù)；p1為支架對(duì)煤幫的阻力；m為煤層開采厚度；C為煤體的黏聚力；φ為煤體的內(nèi)摩擦角；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面之間的摩擦系數(shù)；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，。

通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析與整理，可以確定出x0的取值范圍在3 m～20 m之間，x0數(shù)值的集中范圍在5 m～12 m之間，護(hù)巷煤柱上應(yīng)力降低區(qū)的變化范圍在2 m～7 m之間，受到工作面采高、煤柱寬度以及煤層埋深等諸多因素的影響，煤柱應(yīng)力集中狀態(tài)主要呈現(xiàn)出3種形式。

圖1 4305工作面布置

圖2 護(hù)巷煤柱豎向應(yīng)力以及彈塑性變形區(qū)域分布

當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度B＞2L（極限平衡寬度）時(shí)，煤柱上覆載荷會(huì)均勻地分布在煤柱中央，載荷大小為原巖應(yīng)力γH，在護(hù)巷煤柱邊緣，煤柱應(yīng)力出現(xiàn)集中現(xiàn)象，從護(hù)巷煤柱邊緣至煤柱中央，應(yīng)力分布區(qū)域依次為破壞區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)與原巖應(yīng)力區(qū)[9-11]，B＞2L條件下的煤柱堅(jiān)向應(yīng)力分布如圖3所示。

當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度符合2L＞B＞L時(shí)，煤柱上覆載荷在中央集中，煤柱中央載荷大于原巖應(yīng)力γH，在沿煤柱寬度的方向，豎向應(yīng)力呈馬鞍形分布，2L＞B＞L時(shí)，煤柱豎向應(yīng)力與變形區(qū)域分布如圖4所示。

當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度B＜L時(shí)，煤柱兩側(cè)邊緣的支承壓力同時(shí)向煤柱中央傳遞，在支承應(yīng)力的疊加效應(yīng)下，煤柱中央的載荷迅速增大，載荷遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力γH，B＜L條件下的煤柱豎向應(yīng)力與變形區(qū)域分布情況如圖5所示。

圖3 B＞2L下煤柱豎向應(yīng)力與變形區(qū)域分布

圖4 2L＞B＞L下煤柱豎向應(yīng)力與變形區(qū)域分布

圖5 B＜L下煤柱豎向應(yīng)力與變形區(qū)域分布

2.2 工作面支承壓力分布

工作面護(hù)巷煤柱側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律是確定護(hù)巷煤柱留設(shè)方式以及留設(shè)尺寸的重要參照，為確定長(zhǎng)平煤礦 4305綜采工作面的合理護(hù)巷煤柱尺寸，對(duì)工作面43051巷、43052巷之間的16#橫穿進(jìn)行了側(cè)向支承壓力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

選用KSE—Ⅲ型鋼弦壓力記錄儀、采集儀作為觀測(cè)設(shè)備，對(duì)長(zhǎng)平煤礦 4305綜采工作面在回采過程中引起的側(cè)向支承壓力進(jìn)行觀測(cè)，壓力記錄儀布置區(qū)域如圖6所示。

對(duì)觀測(cè)區(qū)域的煤柱應(yīng)力變化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及處理，可得到護(hù)巷煤柱橫向應(yīng)力的分布規(guī)律，如圖7所示。

圖6 壓力記錄儀測(cè)區(qū)布置區(qū)域

圖7 煤柱橫向應(yīng)力分布規(guī)律

通過圖6可以看出，煤柱應(yīng)力的變化情況受工作面采動(dòng)影響較大，采動(dòng)影響范圍在75 m左右?？偟膩碚f，護(hù)巷煤柱的應(yīng)力分布呈馬鞍形，煤柱橫向應(yīng)力的最大值位于43051巷道22.6 m處，峰值應(yīng)力約為18.12 MPa，超前支承壓力峰值點(diǎn)距離煤壁約11 m～29.5 m，應(yīng)力集中系數(shù)最大值為1.82。巷道的最大應(yīng)力值在17.15 MPa左右，位于巷幫內(nèi)12 m處。根據(jù)煤柱支承壓力分布情況，確定護(hù)巷煤柱尺寸范圍在5.5 m～7 m。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 巷道參數(shù)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)平煤礦 4305工作面采用多巷布置，巷間留設(shè)煤柱在40 m～60 m范圍內(nèi)，大寬度的煤柱造成浪費(fèi)嚴(yán)重，同時(shí)巷道支護(hù)困難，返修率高，合理確定小煤柱留設(shè)尺寸，優(yōu)化該條件下的巷道支護(hù)技術(shù)是高效安全生產(chǎn)的重要舉措。

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，確定在 43053巷、43052巷之間留設(shè)尺寸為6 m的護(hù)巷煤柱，將43052巷作為留巷巷道，巷道兩幫、頂板的支護(hù)形式與參數(shù)設(shè)計(jì)分別如圖8、圖9所示。

圖8 兩幫支護(hù)形式（單位：mm）

圖9 頂板支護(hù)形式（單位：mm）

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)

對(duì)巷道頂?shù)装宓囊七M(jìn)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，擬在 43052巷布置3個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行巷道頂?shù)装逡平康臏y(cè)量，編號(hào)分別記為43052-1測(cè)區(qū)、43052-2測(cè)區(qū)、43052-3測(cè)區(qū)，各測(cè)區(qū)巷道頂?shù)装逡平勘O(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖10 巷道頂?shù)装逡平?/p>

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在工作面未受采動(dòng)影響前，礦井巷道頂?shù)装宓淖冃瘟炕拘∮?0 mm，在工作面采動(dòng)過程中，巷道頂?shù)装宓淖畲笪灰屏繛?50 mm。其中，巷道頂?shù)装遄畲笞冃挝灰瞥霈F(xiàn)在43052-2測(cè)區(qū)的1號(hào)測(cè)線上（距離切眼80 m的范圍），其他各測(cè)區(qū)的頂?shù)装逡平烤∮?50 mm。巷道圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制。

4 結(jié)論

（1）護(hù)巷煤柱的合理留設(shè)寬度受開采高度以及煤層埋深的影響。隨著寬度的減小，煤柱上的應(yīng)力分布曲線形狀變化從雙駝峰形到馬鞍形再到單峰形。實(shí)測(cè)采動(dòng)影響范圍在75 m左右，總的來說，護(hù)巷煤柱的應(yīng)力分布呈馬鞍形，超前支承壓力峰值點(diǎn)距離煤壁約11 m～29.5 m，應(yīng)力集中系數(shù)最大值為1.82。

（2）通過理論分析和工程類比研究，證明在4305綜采工作面留設(shè)6.0 m護(hù)巷煤柱是可行的。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在工作面未受采動(dòng)影響前，礦井巷道頂?shù)装宓淖冃瘟炕拘∮?0 mm，在工作面采動(dòng)過程中，巷道頂?shù)装宓淖畲笪灰屏繛?50 mm。巷道圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制。