趙文濤

(北京龍軟科技股份有限公司，北京 海淀 100190)

山西馬軍峪煤礦井田位于長治市沁源縣聰子峪鄉(xiāng)三義村。90109綜放工作面地質條件和地質構造相對簡單，大體走向為由西向東、由高到低，煤層整體傾斜角度為5～13°。90109綜放工作面內部不存在褶曲和斷層之類的特殊地質條件。馬軍峪煤礦90109綜放工作面所要開采的9+10號煤層的平均煤厚為6.2 m。巷道的寬、高分別為6 m、3.6 m，沿著底板巖層布置。直接頂為石灰?guī)r，平均厚度為7.03 m，上覆巖層基本頂是平均厚度為16.42 m的砂巖，下部巖層的直接底板為均厚2.52 m的泥巖，老底為均厚5.44 m的細粒砂巖。

90109工作面運輸巷受臨近工作面采動動壓的影響，巷道頂?shù)装寮皟蓭蛶r層出現(xiàn)一定程度的損壞，原有的巷道應力場遭到破壞。上一區(qū)段90108綜放工作面回采的過程中，留設25 m寬的煤柱，巷道支護效果并沒有改善，浪費了許多礦產資源。因此，90109綜放工作面留設的煤柱寬度亟需進一步優(yōu)化。

1 煤柱寬度理論計算

彈性核理論是指要判斷煤柱寬度是否合理，應該使上一區(qū)段工作面?zhèn)群拖乱粎^(qū)段巷道掘進側的煤柱在產生塑性變形之后，留設的煤柱中心位置處存在一定寬度尺寸的彈性應力區(qū)以維護煤柱的平衡，這一彈性區(qū)的煤柱寬度應該不小于煤層開采高度的二倍，即合理煤柱寬度由式(1)計算得到：

L1=x0+2m+x1

(1)

式中：L1為彈性核理論下一區(qū)段煤柱的合理寬度，m；x0為煤柱在上一區(qū)段工作面回采的過程中形成的塑性區(qū)域的寬度，m；x1為煤柱在下區(qū)段回采巷道掘進時形成的塑性區(qū)寬度，m；m為該煤層的采高，取4.8 m。

由極限平衡理論可以得出x0的計算公式(2)以及x1的計算公式(3)。

(2)

(3)

式中：px為煤柱幫的支護阻力，取0.2 MPa；α、β為Mises準則系數(shù)，分別取0.26、0.82。計算得到x1=2.41 m。通過以上計算可以得到彈性核理論中90109合理區(qū)段煤柱寬度L1為19.39 m，為了工程實踐中記錄簡便，區(qū)段煤柱寬度取近似值20 m。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型相關參數(shù)

以馬軍峪煤礦90109工作面為工程背景，建立長×寬×高=195 m×120 m×80 m的數(shù)值模型，為了提高模型模擬結果的準確度，將模型中開挖的巷道和保護煤柱兩邊的網格加密，之后給模型賦值的過程中運用到的實際巖層力學相關參數(shù)見表1。根據(jù)實際煤層埋深400 m、煤層以上巖層的平均容重25 kN/m3可以計算得到煤層的初始應力值。分別模擬15.0 m、20.0 m、25.0 m時三種不同的煤柱寬度。當煤柱寬度為15.0 m時，煤柱內部的垂直應力最大值約為30 MPa；當區(qū)段煤柱寬度增加為20.0 m時，90109工作面運輸巷道一側應力最大值減小至10 MPa；當留設的煤柱寬度整體增加為25 m時，90109工作面運輸巷道一側應力峰值增大為19 MPa。

表1 90109綜放工作面頂?shù)装鍘r層物理力學參數(shù)

2.2 不同寬度煤柱巷道表面位移量分析

通過模擬90109綜放工作面不同寬度煤柱，得到回采期間巷道表面位移如表2所示。

表2 回采期間巷道表面位移量 mm

由表2可知，巷道留設的煤柱寬度為15 m時，兩幫位移量總和為728.37 mm，巷道中位于煤柱這一側的巷幫位移量明顯大于巷道中位于實體煤這一側的移近量，巷道上覆巖層中直接頂板和直接底板之間的相對移近量總和為400.5 mm，此時巷道頂板和底板不穩(wěn)定。留設煤柱寬度為20 m時，兩幫的移近量的總和為694.15 mm，巷道左幫和右?guī)偷囊平靠偤吐杂锌s小，巷道上覆巖層中直接頂板和直接底板之間的相對移近量為304 mm，巷道頂?shù)装逡平勘绕?5 m的煤柱寬度明顯變小,此時巷道留設的煤柱寬度能有效控制圍巖的破碎情況，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷恼w效果較好，煤柱起到了應有的支護效果。巷道上覆巖層中直接頂板和直接底板之間相對移近量的總和在煤柱寬度為25 m時增加明顯，其數(shù)值為484.52 mm，此時巷道左幫和右?guī)臀灰瓶偤蜑? 000.63 mm，巷道圍巖移近量和煤柱寬度為15 m時的數(shù)值相比增加不明顯，但比留設煤柱寬度為20 m時明顯增大。

3 巷道圍巖支護設計

巷道頂板采用錨桿錨索共同支護，90109綜放工作面回風巷上覆巖層所布設的錨桿的型號為MSGLW—335，錨桿的直徑為22 mm、長為2 400 mm，間距為1 200 mm，排距為900 mm，頂板布設兩根角錨桿，角錨桿距離兩幫的距離為1 150 mm，傾角為20°。頂板每排布設3根錨索，錨索的間距為2 000 mm，排距為900 mm，巷道左側巷幫所布設錨桿的間距為900 mm，排距也為900 mm。巷道左幫角錨桿呈傾斜布置，與巷道左幫的傾角為20°，巷道左幫位于頂部位置的角錨桿距離巷道頂板300 mm，巷道左幫位于底部位置的角錨桿距離巷道下覆巖層底板600 mm，巷道具體支護參數(shù)如圖1所示。

圖1 巷道支護斷面(mm)

4 區(qū)段煤柱應用效果分析

90109綜放工作面和90108綜放工作面之間留設20 m的區(qū)段煤柱，等上覆巖層的應力穩(wěn)定之后，在90109工作面的運輸巷內留設的煤柱這一側布置9個鉆孔應力計測點，從2 m到18 m，每間隔2 m安設1個鉆孔應力計。圖3為90109綜放工作面推進到距離測點分別為16 m和6 m時，煤柱內部所需支承上覆巖層壓力的分布曲線。

由圖2可知，90109綜放工作面回采至距測點16 m和6 m位置處時，煤柱內部承受支承壓力的最大值分別為17.5 MPa和48 MPa，表明煤柱受到附近工作面的采動影響隨著靠近90109綜放工作面而變得更加明顯，煤柱承受的壓力也愈發(fā)增大；但是煤柱內部所受到的應力集中的位置隨著工作面的不斷向前推進基本保持不變。圖2中運輸巷一側的煤柱距離工作面位置的距離分別為15 m和5 m時煤柱內部存在的彈性核寬度大于2倍的煤層實際開采高度值，其對應的彈性核寬度分別為10.8 m和10 m，因此留設20 m寬的煤柱可以保證90109綜放工作面的安全回采。

圖2 90109綜放工作面回采過程中20 m煤柱內部支承壓力分布曲線

5 結 語

以馬軍峪煤礦90109工作面留設的保護煤柱的寬度及巷道支護采取的相應方案為背景，依據(jù)馬軍峪煤礦的地質條件，通過理論計算、數(shù)值模擬驗證了留設20 m寬的區(qū)段保護煤柱比較合理。90109綜放工作面回采過程中，對留設的煤柱進行鉆孔應力監(jiān)測，通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得出20 m寬的區(qū)段保護煤柱可以有效控制巷道變形、維護巷道自身的穩(wěn)定，以保證90109綜放工作面安全有序回采。