李 明

（山西天成元礦山安全技術(shù)咨詢有限公司，山西 太原 030000）

1 研究背景及目的

伴隨著我國社會經(jīng)濟建設發(fā)展需要，對煤炭資源的需求將會逐漸增多，從淺部煤層到深部煤層的資源開挖勢在必行。隨著開采深度加深，其圍巖應力趨勢變化也將更加復雜，如巷道變形嚴重，礦壓顯現(xiàn)加深，因此深井高應力巷道圍巖穩(wěn)定性控制已成為深部開采的一大難題。

目前國內(nèi)外針對深井高應力巷道圍巖穩(wěn)定性控制的手段主要是留設區(qū)段煤柱和加強巷道支護。但是留設區(qū)段煤柱合理寬度直接影響動壓回采巷道圍巖控制效果。本次研究以可采2 號煤層為例，針對在礦井安全生產(chǎn)中出現(xiàn)的巷道圍巖破壞情況，研究將理論分析、軟件模擬等方法相結(jié)合的綜合研究手段，確定麥地掌煤礦2 號煤層回采面的最優(yōu)區(qū)段煤柱距離，以此減弱礦壓顯現(xiàn)的目的，實現(xiàn)礦井安全回采。對實現(xiàn)麥地掌礦井安全、高產(chǎn)、高效提供了重要的理論依據(jù)。

2 工作面范圍內(nèi)外的采掘情況及其影響

太原梗陽麥地掌煤礦為典型的深井高應力礦井，主要開采2 號煤層，21208 和21210 工作面已形成。目前麥地掌煤礦2 號煤層回采工作面的區(qū)段煤柱寬度設計為20 m。在此安全保護距離下，順槽礦壓顯現(xiàn)嚴重，頂板下沉量大，圍巖穩(wěn)定性較差，難以保證礦井安全生產(chǎn)。

本次研究以21206 工作面為例，工作面位于井田的西北部，北部為21208 相鄰工作面，采空區(qū)西部為采區(qū)邊界，南部為實體煤，東部為大巷。工作面地表無任何建筑物。工作面布置及相鄰工作面情況見圖1。

圖1 21206 工作面布置圖

2.1 煤層賦存條件

可采煤層2 號煤位于山西組中部，上距K4 砂巖25.87～37.65 m，平均 30.00 m，下距 6 號煤層 30.89～52.50 m，平均42.72 m。煤層厚1.55～3.25 m，平均2.42 m。結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸，局部含1 層夾矸，屬全井田穩(wěn)定的可采煤層。頂板巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖，局部為細粒砂巖；底板巖性為細粒砂巖、砂質(zhì)泥巖。

2.2 現(xiàn)場檢測結(jié)果

經(jīng)于2017 年5 月、9 月 2 次對麥地掌煤礦井下21208 回風順槽巷道支護進行了現(xiàn)場實地調(diào)查。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查可知，麥地掌煤礦21208 工作面、運輸與回風順槽與開切眼已經(jīng)貫通，工作面液壓支架已經(jīng)布置完畢，回風順槽矩形段巷道頂板沿2 號煤層頂板掘進，采用錨網(wǎng)+錨索+鋼帶支護；現(xiàn)場觀測可知，巷道前端到開口150 m 處沒有出現(xiàn)過大的變形，巷道圍巖變形量小；150~400 m 頂板變形嚴重；在450 m 處巷道進入陷落柱區(qū)域，礦井根據(jù)實際情況進行了加強支護；450 m 后方局部頂板支護效果良好，無明顯變形。

3 巷道圍巖鉆孔窺視及窺視結(jié)果分析

3.1 鉆孔位置

3.2 分析匯總結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔窺視結(jié)果可知，21208 回風順槽距開口200 m 處巷道頂板完整性較好，裂隙發(fā)育程度不高，沒有明顯頂板離層現(xiàn)象；600 m 處巷道頂板橫向裂紋較少、縱向裂紋較多，裂隙發(fā)育程度一般，沒有明顯頂板離層現(xiàn)象。1 000 m 處巷道頂板橫向裂紋、縱向裂紋較多，主要集中在7 m 之前，7~12 m 裂隙發(fā)育程度一般，沒有明顯頂板離層現(xiàn)象。1 200 m 處頂板有極少數(shù)橫向裂隙，個別最大寬度最大可以達到1 cm。存在多處破碎區(qū)域，范圍可達20 cm。存在彎曲型裂隙和離層現(xiàn)象。

4 巷道底板圍巖鉆孔取芯及巖層厚度測試結(jié)果

4.1 鉆孔位置

為了確定2 號煤層底板巖性情況，選擇在21208工作面運輸順槽560 m 處回風順槽860 m 處進行底板鉆孔窺視。

4.2 底板窺視及巖層厚度測試結(jié)果

在21208 運輸順槽距開口560m 處底板鉆孔窺視結(jié)果顯示：在0~2.15 m 范圍內(nèi)，整體來看，巷道底板完整性較好，裂隙發(fā)育程度不高，沒有明顯裂隙及破碎區(qū)域，此區(qū)域為完整泥巖，在2.15 m 處，巖性明顯轉(zhuǎn)變?yōu)樯皫r。21208 工作面運輸順槽560 m 處為褶皺發(fā)育區(qū)，巷道底板巖性因掘巷而裸露，通過現(xiàn)場測量，可以確定煤層底板巖性依次為0~1.1 m 粉砂巖（通過裸露構(gòu)造確定），1.1~1.35m 泥巖（通過裸露構(gòu)造確定），1.35 ~ 1.45m 煤線（通過裸露構(gòu)造確定），1.45~2.15 m 泥巖（通過起底確定及鉆孔窺視確定），之下為砂巖（通過窺視確定）。

5 回采工作面區(qū)段煤柱合理尺寸的理論計算

5.1 用寬度條件確定區(qū)段煤柱尺寸

由上述內(nèi)容可知，寬度條件確定區(qū)段煤柱尺寸的公式為式：

區(qū)段煤柱上、下側(cè)塑性區(qū)寬度x0、x1分別為：

區(qū)段煤柱彈性核臨界破壞寬度為

公式中：x0、x1為區(qū)段煤柱上、下側(cè)塑性區(qū)寬度，m；L1為煤柱彈性核破壞臨界寬度，m；為煤柱高度，m；K、K'為彈性核與頂?shù)装褰缑嫦?、上部塑性區(qū)與彈性核交界面上的應力集中系數(shù)；C、φ 為煤體的粘聚力、內(nèi)摩擦角；C0為煤柱與頂?shù)装褰缑娴恼尘哿?，一般?.1~20 MPa；φ0為煤柱與頂?shù)装褰缑娴膬?nèi)摩擦角，一般為1°～35°；γ、H為覆巖平均容重、煤層埋深；λ為塑性區(qū)與彈性核區(qū)的側(cè)壓系數(shù)。

本罪為情節(jié)犯，由法條可以看出，分為情節(jié)嚴重和情節(jié)特別嚴重，相對應的有兩種輕重不同的法定刑。至于何謂“情節(jié)嚴重”或“情節(jié)特別嚴重”，并沒有明確規(guī)定。一般認為，多次、大量非法獲取他人計算機數(shù)據(jù)的為情節(jié)嚴重。

麥地掌煤礦煤、巖層參數(shù)按表1 選取。

表1 麥地掌煤礦2 號煤、巖層參數(shù)

把表 1 中對應數(shù)值代入公式（1）~（3），計算得：

x0=2.54 m，x1=2.45 m，L1=0.2 m。

把以上值代入，計算得：

綜上，實際留設時，煤柱尺寸取30m。

5.2 用強度條件確定區(qū)段煤柱尺寸

區(qū)段煤柱寬度應為：

式中，Rc、Rt為煤體的單軸抗壓、抗拉強度，MPa；b為煤體寬度，m；m為煤柱高度，m；φ為煤體內(nèi)摩擦角，°；σ為煤柱內(nèi)平均應力，MPa。

考慮對整個煤柱來講平均應力取值應偏高，于是取煤柱平均應力為：

把表 3 數(shù)據(jù)代入式（4）、（5）得：

仍取開采擾動影響因子d=3；掘進影響因子α=1.2，因而得出煤柱寬度為

綜合寬度計算與強度計算的結(jié)果，初步確定煤柱合理寬度為30 m。

6 基于數(shù)值模擬的回采工作面區(qū)段煤柱合理尺寸的確定

為了合理的確定護巷煤柱的寬度，同時全面、客觀地反映巷道圍巖應力與運動規(guī)律，以麥地掌煤礦21206、21208 工作面為工程背景，構(gòu)建FLAC3D三維計算模型，模擬分析煤柱塑性區(qū)分布情況及巷道圍巖變形狀況，從而確定2 號煤層回采工作面區(qū)段煤柱的合理寬度。

6.1 數(shù)值模擬計算模型的建立

為確定梗陽煤業(yè)回采工作面區(qū)段煤柱的合理寬度，以21206 及21208 工作面為工程背景，建立數(shù)值計算模型，根據(jù)煤層地質(zhì)條件及現(xiàn)場實際情況，共設計了2 個計算模型。

圖2 數(shù)值模擬模型示意圖

1）模型模擬幾何尺寸：x×y×z = 長×寬×高=454.8 m×200 m×100 m。模型共劃分579 600 個單元，606 144 個節(jié)點。模型模擬2 號煤層厚2.42 m，煤層頂板56.95 m，底板40.35 m。

2）模擬過程中分別考慮。21208 工作面回采、21026 順槽掘進及21206 工作面回采3 個過程，分析煤柱屈服破壞范圍大小，應力分布情況（見圖2）。

3）模型邊界條件。如圖2（a）所示為數(shù)值模擬邊界示意圖，巷道沿著頂煤掘進，左側(cè)為21206 工作面，右側(cè)為21208 工作面，整個模型在前、后，左、右及下部均為固定邊界，限制水平位移。

6.2 數(shù)值模擬方案及過程

根據(jù)煤層地質(zhì)條件及現(xiàn)場實際情況，共設計了2個計算模型，工作面區(qū)段煤柱的寬度分別為25、30m，論證25 m 及30 m 煤柱是否滿足強度及穩(wěn)定性要求，研究內(nèi)容為不同煤柱寬度時，煤柱塑性區(qū)及巷道圍巖變形量的分布情況，巷道受動壓影響程度，進而確定回采工作面區(qū)段煤柱的合理寬度。以21206 工作面為例進行研究。

模擬過程：首先回采21208 工作面、待工作面回采完成后（工作面推進長度y =170 m）開挖21206工作面回風及運輸順槽（開挖長度y = 200 m），順槽穩(wěn)定后（運行到收斂），逐步回采21206 工作面并保存回采文件（工作面推進長度y = 100 m），為了更加符合實際條件，在煤柱及兩側(cè)巷道的網(wǎng)格加密。模擬圖略。

6.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

圖3-圖4 分別為2 種不同寬度的區(qū)段煤柱在同一測點（100 m 處）采動影響前后的塑性區(qū)擴展計算結(jié)果圖。由圖可看出，當煤柱寬度為25 m 時，受采動影響前，左右?guī)推茐纳疃染鶠?.5 m；受采動影響后，煤柱側(cè)破壞深度由2.5 m 延伸到7.8 m，煤柱彈性區(qū)只剩4 m；當煤柱寬度為30 m 時，受采動影響前，21206 運輸順槽左右?guī)推茐纳疃染鶠? m，受采動影響后，煤柱側(cè)破壞深度由2 m 延伸到3.5 m，煤柱彈性區(qū)仍有12 m。判斷煤柱是否失穩(wěn)的標準為煤柱彈性區(qū)寬度是否大于2 倍的煤柱高度，顯然，當煤柱為25 m 時，彈性區(qū)寬度小于2 倍煤柱高度，而煤柱為30 m時，彈性區(qū)寬度大于2 倍煤柱高度，因此，當煤柱寬度為25 m 時煤柱失穩(wěn)，寬度為30 m 時煤柱未失穩(wěn)。

當煤柱寬度為25 m 時，煤柱上方巖層破壞區(qū)發(fā)生貫通現(xiàn)象，表示煤柱上方巖層發(fā)生嚴重破壞，頂板極易發(fā)生離層，當煤柱寬度為30 m 時，煤柱上方巖層破壞區(qū)未貫通，說明煤柱寬度為30 m 時，上覆巖層所受采動影響較小，發(fā)生整體離層現(xiàn)象可能性較小。

圖3 25 m 煤柱塑性區(qū)云圖

圖4 30 m 煤柱塑性區(qū)云圖

7 本次優(yōu)化結(jié)論

本次優(yōu)化研究以麥地掌煤礦2 號煤為研究對象，利用寬度和強度條件計算了煤柱寬度，采用FLAC3D軟件建立了考慮相鄰工作面采動影響的數(shù)值模型，對煤柱塑性破壞、彈性區(qū)寬度、煤柱上方頂板貫通程度的分析，得出以下結(jié)論：

利用寬度條件計算得煤柱寬度為29.56 m，利用強度條件計算得煤柱寬度為21.06 m，為了充分滿足寬度和強度條件，確定回采工作面區(qū)段煤柱的合理留設尺寸為30 m；通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，根據(jù)留設煤柱寬度需大于等于2 倍煤柱高度的原則，確定留設30 m 煤柱。