暴雪峰

（晉城無(wú)煙煤集團(tuán)公司寺河煤礦，山西沁水048200）

為了應(yīng)對(duì)采動(dòng)高應(yīng)力的作用，國(guó)內(nèi)外廣泛采用的是留煤柱維護(hù)巷道的方法，主要有兩種趨勢(shì)，一種留寬煤柱方式，目的是為了避開(kāi)采動(dòng)支承壓力的峰值，降低采動(dòng)高應(yīng)力對(duì)巷道的破壞；另一種為窄煤柱護(hù)巷，將煤柱設(shè)計(jì)在壓力降低區(qū)內(nèi)來(lái)保證巷道的穩(wěn)定，后者主要應(yīng)用于回采巷道[1-5]。以往國(guó)內(nèi)外主要用理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)估值等方法來(lái)對(duì)煤柱的寬度進(jìn)行確定，但是影響護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性的因素很多，這些方法局限性較大，只有在類(lèi)似的地質(zhì)條件中才有借鑒的意義，相比傳統(tǒng)計(jì)算方法，數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)在于能考慮眾多的影響因素，并且可以通過(guò)對(duì)不同參數(shù)下的結(jié)果比較分析進(jìn)而得到一個(gè)合理的結(jié)果，為優(yōu)化巷道布置和確定合理煤柱寬度提供了參考依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

晉煤集團(tuán)寺河煤礦位于嘉豐鎮(zhèn)，屬于沁水煤田的一部分，它整體地質(zhì)情況呈現(xiàn)東南高、西北低，并且西北部分是向斜構(gòu)造軸區(qū)，井田內(nèi)主要可開(kāi)采的為一水平的3#無(wú)煙煤，其上覆巖層的厚度為320～502m，地壓8.00～12.55MPa。煤層巷道從上到下依次是細(xì)粒砂巖、泥巖、煤層，它老頂由細(xì)粒砂巖構(gòu)成，總體厚度較大，一般為9m左右，能夠形成自穩(wěn)結(jié)構(gòu)。

2 數(shù)值計(jì)算模擬

為了進(jìn)一步弄清回采期間動(dòng)壓影響的范圍和不同寬度下煤柱內(nèi)部破壞特征，本文建立長(zhǎng)500m、高60m、寬400m 的模型，把整個(gè)6302 工作面所可能影響的范圍都包括其中，為了簡(jiǎn)化模型，在上部的巖層重力采用450m 的等效均布載荷來(lái)替代。巖層的平均密度為2500g/cm3，側(cè)壓系數(shù)為1.2。上邊界自由，其余邊界位移固定。其頂?shù)装辶W(xué)性能如表1所示。

3 回采期間煤柱穩(wěn)定性分析

表1 數(shù)值計(jì)算中模型巖層的力學(xué)參數(shù)

6302 工作面回采期間63021 巷與63025 巷之間煤柱在寬度為多少的情況下內(nèi)部有穩(wěn)定的支撐區(qū)是本次分析的重點(diǎn)。由于63025 巷后期作為盤(pán)區(qū)進(jìn)風(fēng)大巷使用，因此確保回采過(guò)程中巷道的圍巖的穩(wěn)定性尤為重要。在工作面回采過(guò)程中，區(qū)段煤柱首先受到的是工作面產(chǎn)生的超前支承壓力，然后隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)而受側(cè)向支承壓力，最后在本區(qū)段采空區(qū)后方承擔(dān)采空區(qū)支承壓力[6-8]，這三次壓力動(dòng)壓對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原巖應(yīng)力，對(duì)煤柱的影響較大。由于63021 巷與63025 巷之間的煤柱經(jīng)歷了巷道掘進(jìn)和回采兩次動(dòng)壓的影響，應(yīng)力環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，造成巷道破壞嚴(yán)重，后期維護(hù)比較困難。本區(qū)段煤柱能否保持穩(wěn)定性的關(guān)鍵是回采后內(nèi)部是否存在合理的彈性支撐區(qū)，下面主要從回采期間煤柱內(nèi)的塑性區(qū)的變化和巷道圍巖的變形量來(lái)判斷煤柱的寬度是否滿足要求。本文利用UDEC分別以寬度是9m、11m、13m、15m、17m、19m 的煤柱作為此次分析研究的對(duì)象來(lái)進(jìn)行模擬分析。其工作面巷道布置圖如圖1所示。

3.1 不同寬度下煤柱內(nèi)塑性區(qū)分布特征

圖1 工作面巷道布置圖

在6302 工作面回采過(guò)程中，由于受到動(dòng)壓的影響本區(qū)段煤柱內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，并且隨著回采面的推進(jìn)，煤柱內(nèi)力學(xué)狀態(tài)進(jìn)一步變化，待回采完成，后方頂板垮落形成固定支撐區(qū)后，煤柱內(nèi)的塑性變形達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，圖2為不同寬度的煤柱其內(nèi)彈性區(qū)和塑性區(qū)分布情況。

圖2 回采期間不同寬度煤柱內(nèi)塑性區(qū)分布圖

由圖2 可知在6302 工作面回采結(jié)束動(dòng)壓穩(wěn)定后，其留巷煤柱內(nèi)塑性區(qū)分布情況如下：

由于煤柱受到回采動(dòng)壓的影響，在其內(nèi)部發(fā)生塑性變形，并且隨著煤柱寬度的增加塑性區(qū)域范圍也不斷變大，當(dāng)煤柱寬度達(dá)到一定值時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)彈性區(qū)。特別是煤柱寬度為9～13m時(shí)，于塑性變形貫穿整個(gè)煤柱，并且呈“人”字型分布延伸到63025巷底板中，造成底板變形嚴(yán)重，巷道頂板中也出現(xiàn)一定的塑性區(qū)域，存在失穩(wěn)的可能；當(dāng)留巷煤柱寬度達(dá)到17m時(shí)，其內(nèi)有了一定的彈性區(qū)，而塑性變形主要集中煤柱回采一側(cè)基本頂斷裂處的正下方，此時(shí)煤柱具備一定的支撐能力，并且巷道底鼓梁明顯減小，頂板中塑性區(qū)域基本消失。通過(guò)對(duì)比上面圖中塑性變形的分布的情況可知，當(dāng)寬度為9～13m時(shí)，煤柱內(nèi)部塑性變形范圍隨著寬度的增加而增大，在煤柱寬度為17m時(shí)塑性區(qū)范圍相對(duì)最小，而當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步增加時(shí)，塑性區(qū)的范圍沒(méi)有明顯收斂的趨勢(shì)。并且從巷圍巖破壞形式上可以看出，巷道的塑性變形的主要表現(xiàn)為底鼓和兩幫變形，63021巷頂板的塑性區(qū)范圍比63025巷頂板更大，其主要原因是采空區(qū)邊緣基本頂在周期來(lái)壓不斷斷裂的情況下造成回轉(zhuǎn)下沉，基本頂下方煤巖體被強(qiáng)烈壓縮導(dǎo)致。

3.2 不同煤柱寬度下巷道圍巖的變形情況

由于63025 巷作為進(jìn)風(fēng)巷對(duì)東六盤(pán)區(qū)后續(xù)工作面的供風(fēng)巷道，因此，盡可能減小巷道圍巖變形，保證巷道始終維持合理的橫截面積對(duì)正常進(jìn)風(fēng)有著決定性作用。其不同寬度煤柱下巷道圍巖變形情況如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形與煤柱寬度關(guān)系

由圖3 可見(jiàn)，在工作面回采期間63025巷圍巖的變形主要表現(xiàn)為右?guī)妥冃魏偷坠模髱秃晚敯宓淖冃吻闆r相對(duì)較小。頂板下沉量、底鼓量以及兩幫變的形量總體上都隨著留巷煤柱寬度的增而程減小的趨勢(shì)，并且當(dāng)煤柱寬度由小增大到15m時(shí)巷道圍巖的變形速率也開(kāi)始變小，這與前面模擬中此時(shí)煤柱內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)彈性區(qū)的結(jié)果相一致。

3.3 側(cè)向支撐壓力對(duì)煤柱寬度的影響

工作面回采產(chǎn)生側(cè)向支承壓力，從采空區(qū)由近到遠(yuǎn)依次為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。根據(jù)留巷原則，煤柱及巷道設(shè)計(jì)位置于應(yīng)盡量避開(kāi)壓力升高區(qū)，將有利于使巷道避開(kāi)受回采壓力的影響，降低巷道后期維護(hù)的難度，在6302回采期間其應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 側(cè)向支撐壓力

圖4為采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布圖，由圖可看出工作面回采后，6302 采空區(qū)邊界側(cè)向支承應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在距離采空區(qū)邊緣為10m 的地方，應(yīng)力峰值為29MPa，之后在約20m 處趨于穩(wěn)定，此時(shí)的應(yīng)力值為10MPa左右；水平應(yīng)力呈現(xiàn)也先增加后減小的趨勢(shì)，峰值大小為15MPa，峰值位置在11m處，在20m左右處開(kāi)始穩(wěn)定，穩(wěn)定后的應(yīng)力為7MPa。結(jié)合前面的模擬結(jié)果可知，在煤柱寬度為9～15m 時(shí)，巷道無(wú)論水平還是垂直位移都比較大，所以將距6302工作面的4～15m范圍作為側(cè)向支承壓力的應(yīng)力升高影響區(qū)。

根據(jù)留設(shè)煤柱應(yīng)避開(kāi)垂直應(yīng)力升高區(qū)的影響范圍的原則，63021巷與63025巷之間煤柱的寬度或者小于9m或者大于15m，但是結(jié)合上面的巷道變形的分析結(jié)果可知當(dāng)煤柱小于9m時(shí)，煤柱內(nèi)部整個(gè)區(qū)域都發(fā)生塑性變形，失去了可承載性，起不到支撐作用。因此，煤柱寬度應(yīng)該大于15m。綜合考慮上面模擬分析中巷道的塑性變形情況和側(cè)向支撐壓力的分布范圍，巷道的煤柱寬度定為17m 比較合適，既保障了巷道支撐的穩(wěn)定性，又盡可能減少煤柱過(guò)大造成的資源浪費(fèi)。

4 結(jié)論

（1）煤柱內(nèi)塑性區(qū)的分布：在寬度為9～13m時(shí)，受到回采動(dòng)壓的影響，塑性區(qū)貫穿整個(gè)煤柱，煤柱失去了支撐作用。寬度為15m 時(shí)內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)彈性區(qū)，并隨著寬度的增加，煤柱的彈性范圍不斷變大，有了穩(wěn)定的支撐區(qū)域。

（2）巷道變形情況：工作面回采期間，63025巷變形劇烈，為掘進(jìn)期間巷道變形量的數(shù)十倍，底鼓和右?guī)妥冃问窍锏朗諗康闹饕獊?lái)源，其次是頂板下沉和左幫變形。并且巷道圍巖的變形總體上隨著護(hù)巷煤柱寬度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，在護(hù)巷煤柱達(dá)到15m后，圍巖位移的變化量很小，變形速率也開(kāi)始減小。

（3）通過(guò)模擬得到由于綜采工作面回采形成的側(cè)向支撐壓力的增高區(qū)范圍是4～15m，15m 之后逐漸變小并趨于穩(wěn)定。根據(jù)留巷煤柱寬度確定原則，63025進(jìn)風(fēng)巷和63021 順槽之間合理煤柱寬度為17m 時(shí)圍巖變形量較小，煤柱內(nèi)部有較大的穩(wěn)定區(qū)域，為后期的支護(hù)提供了穩(wěn)定的圍巖基礎(chǔ)，符合留巷條件。