曹興良，宋永起

(1.山西朔州平魯區(qū)茂華萬(wàn)通源煤業(yè)有限公司，山西 朔州市 036000；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島市 266590)

目前我國(guó)部分煤礦仍存在依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定煤柱寬度的現(xiàn)象，由于缺乏科學(xué)性和針對(duì)性，往往造成煤炭資源的浪費(fèi)，致使巷道在掘進(jìn)和回采過(guò)程中難以維護(hù)，甚至出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿蔥1?3]。因而，煤柱護(hù)巷技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題是如何在兼顧資源回收率和巷道穩(wěn)定性的前提下，合理確定煤柱寬度。保留煤柱的寬度與回采巷道支護(hù)、維護(hù)成本、安全生產(chǎn)以及煤炭資源回采率密切相關(guān)，煤柱寬度選擇的正確與否，對(duì)保證巷道穩(wěn)定至關(guān)重要。

1 煤柱寬度確定方法

煤柱寬度的確定方法目前主要有經(jīng)驗(yàn)法、理論計(jì)算法、數(shù)值模擬法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)4 種方法[4?5]。經(jīng)驗(yàn)法主要由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定煤柱寬度，缺乏科學(xué)性和針對(duì)性；理論計(jì)算法根據(jù)巖體的應(yīng)力極限平衡理論推導(dǎo)出護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的寬度計(jì)算公式；數(shù)值模擬法是利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同煤柱寬度下的巷道圍巖變形、受力進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而確定合適的煤柱寬度；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是在煤柱中安設(shè)測(cè)試儀器，實(shí)測(cè)煤柱支承壓力分布、巷道圍巖變形，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析來(lái)確定煤柱寬度。

為科學(xué)確定萬(wàn)通源煤礦試驗(yàn)面沿空掘巷的合理位置，采用理論研究和數(shù)值分析等方法，系統(tǒng)研究401 采區(qū)輔助回風(fēng)巷和機(jī)軌合一巷煤柱沿空掘巷問(wèn)題，使留設(shè)煤柱寬度合理化。

2 煤柱合理寬度理論計(jì)算

2.1 確定煤柱合理寬度的理論依據(jù)

靠近工作面頂板上方基本頂與高位巖層產(chǎn)生離層，且基本頂為傳遞巖梁，故內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)只有基本頂、直接頂巖層控制；工作面前方的高位巖層、基本頂、直接頂未離層，故高位巖層的力直接作用于外應(yīng)力場(chǎng)。工作面采用煤柱掘巷時(shí)，要保障沿空巷道位于內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)低應(yīng)力區(qū)。沿空工作面?zhèn)认驇r層結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 沿空工作面?zhèn)认驇r層結(jié)構(gòu)示意

為了減少巷道圍巖移近量以使巷道保持穩(wěn)定，降低區(qū)段煤柱損失，區(qū)段平巷的護(hù)巷煤柱寬度應(yīng)盡可能小一些。但如果護(hù)巷煤柱過(guò)小，在高應(yīng)力作用下，煤柱破裂可能使錨桿安設(shè)在破碎圍巖中，導(dǎo)致錨桿錨固力減弱，支護(hù)作用降低。由此可見(jiàn)，在保證巷道穩(wěn)定性的同時(shí)提高煤炭資源的回采率，是確定煤柱合理尺寸的前提條件。

2.2 合理煤柱寬度理論計(jì)算

煤柱寬度理論計(jì)算主要有極限平衡計(jì)算法和載荷計(jì)算法。

2.2.1 極限平衡計(jì)算法

極限平衡法在發(fā)揮錨桿（索）等極限錨固作用的前提下，使煤柱尺寸盡可能小，以達(dá)到維護(hù)巷道穩(wěn)定、提高采出率的目的。按照煤巷兩幫煤體應(yīng)力分布規(guī)律和極限平衡理論[5?6]，依據(jù)圖2 的計(jì)算模型，參考礦井實(shí)測(cè)相關(guān)參數(shù)，計(jì)算合理的最小護(hù)巷煤柱寬度B：B=x1+x2+x3。

圖2 合理煤柱寬度計(jì)算

參考相關(guān)參數(shù)，計(jì)算401 采區(qū)輔助回風(fēng)巷與40103 工作面運(yùn)輸巷之間的煤柱合理寬度B：B=x1+x2+x3=12.54～14.72 m。

式中，x1為上區(qū)段工作面開(kāi)采在煤柱中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度；m為煤層厚度，13 m；A為側(cè)壓系數(shù)，0.5；φ為煤體內(nèi)摩擦角，30°；C0為煤體黏聚力，3 MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)，3；H為巷道埋藏深度，267.75 m；ρ為巖層平均密度，2.5 t/m3；P0為上區(qū)段平巷支架對(duì)下幫支護(hù)阻力，相鄰已采面采空側(cè)P0＝0；x2為錨桿錨入煤柱的深度，2.0 m；x3為安全系數(shù)，x3=(0.15～0.35)(x1+x2)=1.64～3.82 m。

根據(jù)以上討論及計(jì)算，沿空掘巷的合理煤柱尺寸為12.54～14.72 m。出于安全考慮，取煤柱尺寸不小于15 m。

2.2.2 載荷估算法

載荷估算法認(rèn)為煤柱承受的載荷來(lái)源于兩部分：一是煤柱寬度對(duì)應(yīng)的上覆巖層的重量；二是一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)沿傾斜長(zhǎng)度方向?qū)?yīng)的上覆巖層重量[7?9]，其計(jì)算模型如圖3 所示。

圖3 煤柱載荷計(jì)算模型

401 采區(qū)輔助回風(fēng)巷與40103 工作面運(yùn)輸巷之間的煤柱受到上覆巖層作用的總載荷為：

式中，B為煤柱寬度，m；D為采空區(qū)寬度，200 m；H為巷道埋藏深度，267.75 m；ψ為巖層自然垮落角，30°；ρ為巖層平均密度，2.5 t/m3。

單位寬度上平均應(yīng)力為：

煤柱極限強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中，h為煤柱高度，m；Rc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，30 MPa。

則煤柱穩(wěn)定條件是：σy≤R。

綜合可得，煤柱合理寬度B≥16.8 m?；诎踩紤]，取煤柱尺寸不小于17 m。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬分析

沿空掘巷的煤柱寬度影響巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)及圍巖位移分布。圍巖和巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用相當(dāng)復(fù)雜，因此，巷道結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力學(xué)計(jì)算是比較復(fù)雜的。尤其對(duì)于非線性巖體內(nèi)的連續(xù)或不連續(xù)介質(zhì)和任意幾何外形的巷道結(jié)構(gòu)，其力學(xué)計(jì)算一般借助近似的數(shù)值方法。

3.1 煤柱沿空掘巷模型設(shè)計(jì)及其計(jì)算分析

根據(jù)巷道邊界條件、煤層頂、底板情況及傾角，確定實(shí)體煤巷道的計(jì)算模型，據(jù)此分析實(shí)體煤－煤柱巷道在受到上下2 個(gè)區(qū)段工作面回采影響時(shí)巷道圍巖變形與破壞規(guī)律。

模型的幾何尺寸x×y×z=500 m×500 m×60 m在上區(qū)段采空區(qū)附近留設(shè)一定寬度煤柱后掘進(jìn)巷道，巷道左界為留設(shè)煤柱，煤柱左邊為上區(qū)段工作面，巷道右側(cè)為實(shí)體煤及本區(qū)段工作面。不同寬度煤柱下巷道圍巖變形與破壞數(shù)值模擬型在前、后、左、右及下部均為固定邊界，沒(méi)有水平位移，即Sx=Sy=0。在模型上部施加垂直應(yīng)力，應(yīng)力大小為：P=（埋深?模型的高度）×平均容重=（267?60）×2.5/100=5.175 MPa。

根據(jù)煤層條件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的可行性，本次計(jì)算在其他條件不變的情況下計(jì)算分析不同寬度煤柱的破壞狀況，共設(shè)計(jì)了3 個(gè)計(jì)算模型。對(duì)于煤體?小煤柱巷道，分別模擬寬度為10 m、15 m、20 m時(shí)巷道圍巖及煤柱的破壞情況。

首先開(kāi)采上區(qū)段工作面，然后根據(jù)煤柱的大小確定沿空巷道開(kāi)挖的位置，為了使計(jì)算符合實(shí)際條件，在開(kāi)挖巷道周?chē)用芫W(wǎng)格的劃分，之后開(kāi)采下區(qū)段工作面。由此模擬沿空巷道圍巖變形與破壞規(guī)律，并確定合理煤柱尺寸，建立模型如圖4 所示。

圖4 數(shù)值模擬模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 沿空掘巷巷道圍巖主應(yīng)力分布與煤柱寬度的關(guān)系

如圖5 所示，當(dāng)401 輔助回風(fēng)巷與40103 采空區(qū)之間煤柱寬度為10 m 時(shí)，巷道右側(cè)頂、底板受力最大，受工作面回采的影響，在離采空區(qū)5 m 時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力分布區(qū)域明顯，大小主應(yīng)力相差較大，此時(shí)巷道會(huì)受到嚴(yán)重破壞，支護(hù)困難。

圖5 不同煤柱尺寸圍巖應(yīng)力分布

當(dāng)煤柱寬度為15 m 時(shí)，應(yīng)力分布情況與煤柱寬度10 m 時(shí)接近，所不同的是巷道所處的高應(yīng)力范圍變小且處在應(yīng)力集中區(qū)域的邊緣，隨著煤柱寬度進(jìn)一步加大，巷道會(huì)慢慢遠(yuǎn)離高應(yīng)力區(qū)。

當(dāng)煤柱寬度為20 m 時(shí)，巷道離開(kāi)高應(yīng)力區(qū)，處在應(yīng)力降低區(qū)域，此時(shí)巷道頂、底板受力明顯變小，巷道變形量小，巷道支護(hù)相對(duì)容易且維護(hù)簡(jiǎn)單。

3.2.2 沿空掘巷巷道圍巖側(cè)向塑性區(qū)擴(kuò)展與煤柱寬度的關(guān)系

煤柱寬度不同，其圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展也有所不同，如圖6 所示，當(dāng)煤柱寬度為10 m 時(shí)，2 條巷道圍巖均出現(xiàn)不同程度破壞，尤其以巷道頂板及煤柱破壞為主，401 輔助回風(fēng)巷完全處于塑性破壞狀態(tài)，機(jī)軌合一巷約有70%左右處于塑性破壞狀態(tài)，煤柱側(cè)頂角尤為嚴(yán)重，而煤柱幾乎完全處于塑性或塑性破壞狀態(tài)，主要因?yàn)槔享斣谙锏郎戏较虿煽諈^(qū)回轉(zhuǎn)，以及由于工作面回采造成煤柱上應(yīng)力集中。巷道底板及實(shí)體煤幫相對(duì)破壞程度較輕，只是處于塑性流變狀態(tài)，而巷道表面四周?chē)鷰r基本破壞。

圖6 不同煤柱尺寸塑性區(qū)破壞情況

當(dāng)煤柱寬度為15 m 時(shí)，機(jī)軌合一巷脫離塑性區(qū)，但是401 輔助回風(fēng)巷底板和左右?guī)瓦€處在塑性破壞區(qū)域。

隨著煤柱寬度進(jìn)一步加大，巷道表面及圍巖在頂、底及實(shí)體煤側(cè)均無(wú)破壞，處于塑性流變狀態(tài)，只有煤柱側(cè)幫煤有略微破壞，圍巖整體完整程度很高。當(dāng)煤柱寬度為20 m 時(shí)，巷道底板圍巖破壞程度減輕，401 輔助回風(fēng)巷左幫還處在塑性破壞區(qū)域，對(duì)整體影響較小。

4 合理煤柱寬度確定

工作面回采過(guò)程中，兩側(cè)煤體上支承壓力分布狀態(tài)是不斷發(fā)展變化的，因此巷道開(kāi)掘的位置決定了巷道受頂板活動(dòng)和支承壓力影響的程度和過(guò)程，正確選擇巷道開(kāi)掘位置是保證巷道穩(wěn)定性、改善巷道維護(hù)條件的根本措施，也是巷道礦壓控制設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。通常是在實(shí)測(cè)研究上覆巖層運(yùn)動(dòng)及其支承壓力分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，確定低應(yīng)力區(qū)的范圍和穩(wěn)定時(shí)間，最大限度地減輕集中應(yīng)力的影響。

導(dǎo)致煤體處于彈塑性?xún)煞N應(yīng)力狀態(tài)和巖層運(yùn)動(dòng)的發(fā)展規(guī)律不同，不同的支承壓力分布，對(duì)應(yīng)沿空巷道開(kāi)掘的合理位置和時(shí)間也是有區(qū)別的。

4.1 煤柱留設(shè)的原則

煤柱是沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分，其穩(wěn)定性除了同構(gòu)造應(yīng)力、水平應(yīng)力、回采影響及合理的支護(hù)參數(shù)有關(guān)外，更多的與煤柱寬度密切相關(guān)。根據(jù)有關(guān)專(zhuān)家、學(xué)者的相關(guān)研究[7-9]，得到沿空掘巷留設(shè)煤柱的寬度應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)原則。

（1）巷道處于應(yīng)力降低區(qū)。采空區(qū)側(cè)向支承壓力分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，當(dāng)巷道位于應(yīng)力降低區(qū)時(shí)，煤柱的穩(wěn)定性均較好。

（2）利于巷道圍巖穩(wěn)定。煤柱過(guò)窄，不但煤柱破碎，頂煤及實(shí)體煤幫也破碎，巷道圍巖整體性差、承載能力小。煤柱寬度應(yīng)有一個(gè)合理值。

（3）煤柱內(nèi)部應(yīng)有穩(wěn)定的區(qū)域。受上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫ψ饔煤拖锏谰蜻M(jìn)影響，煤柱兩側(cè)出現(xiàn)破碎區(qū)。如煤柱全處于破碎區(qū)中，則其承載能力和穩(wěn)定性較低，巷道維護(hù)困難。

（4）采出率高。煤柱越小，采出率越大，在滿(mǎn)足穩(wěn)定的前提下，盡可能減小煤柱寬度。

4.2 合理煤柱寬度的確定

綜合極限平衡計(jì)算法和載荷估算法確定合理的煤柱寬度。根據(jù)煤柱確定的原則，從煤柱的穩(wěn)定性、采出率等方面考慮，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，確定401 采區(qū)輔助回風(fēng)巷與40103 工作面運(yùn)輸巷間的煤柱合理寬度分別不小于15 m 和17 m，為安全起見(jiàn)，取煤柱尺寸不小于17 m。

自輔助回風(fēng)巷往北偏移20 m，布置40103 工作面運(yùn)輸順槽，留設(shè)20 m 煤柱（大于合理煤柱尺寸17 m）。

5 結(jié)論

針對(duì)401 采區(qū)輔助回風(fēng)巷與機(jī)軌合一巷的煤層賦存特點(diǎn)和開(kāi)采技術(shù)條件，通過(guò)理論分析及數(shù)值模擬方法，確定了401 采區(qū)輔助回風(fēng)巷與40103 工作面運(yùn)輸巷之間的合理煤柱寬度為20 m。