徐慧剛

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

0 引 言

煤礦主要開(kāi)采方式為井工開(kāi)采，留設(shè)煤柱沿空掘巷在井工開(kāi)采中應(yīng)用廣泛。通過(guò)對(duì)沿空掘巷的煤柱寬度進(jìn)行研究，有利于在實(shí)現(xiàn)工作面安全回采的同時(shí)提高煤礦資源的回收率，對(duì)推進(jìn)礦井高質(zhì)量、高效益及安全生產(chǎn)有著重要的意義。在從前的概念里，為確保工作面正常的接替，相鄰工作面之間往往留設(shè)20 m 甚至更寬的煤柱，但近年來(lái)的研究成果表明，留設(shè)較寬的煤柱易使煤柱上方應(yīng)力較高從而誘發(fā)煤柱幫破壞嚴(yán)重，且造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。在煤炭開(kāi)采技術(shù)的不斷進(jìn)步下，窄煤柱沿空掘巷技術(shù)得到了推廣和應(yīng)用，不僅提高了資源的使用率，還能使巷道合理的處于應(yīng)力較低的地點(diǎn)，受力小，易于巷道安全穩(wěn)定；因此，本文采用理論分析、數(shù)值模擬的方法，計(jì)算煤柱的合理寬度，并通過(guò)對(duì)比不同寬度下的煤柱巷道穩(wěn)定性，驗(yàn)證理論計(jì)算的合理性，為實(shí)際工程的煤柱留設(shè)提供合理指導(dǎo)。

1 工程概況

山西省新元煤礦位于沁水煤田北部，主采3、9、15 號(hào)煤層，3 號(hào)煤為山西組主要可采煤層，9、15 號(hào)位于太原組，為該組主要可采煤層。9104 工作面布置在9 號(hào)煤層中，煤層為近水平煤層，頂板以砂質(zhì)泥巖及泥巖為主，底板為砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)、粉砂巖。9104 工作面沿著9 號(hào)煤層底板布置。經(jīng)過(guò)原有煤柱留設(shè)寬度來(lái)看，巷道在掘進(jìn)期間易發(fā)生變形破壞，在上覆巖層回轉(zhuǎn)下沉作用下，煤柱幫易發(fā)生破壞，增大了巷道的維護(hù)成本及工作難度；因此，欲在9104 工作面規(guī)劃時(shí)留設(shè)好合理寬度，保證將來(lái)的安全回采。

2 煤柱合理寬度設(shè)計(jì)

2.1 煤柱寬度理論分析

在上區(qū)段相鄰工作面開(kāi)采覆巖垮落穩(wěn)定后，基本頂隨著采動(dòng)等因素在采空區(qū)邊緣將形成“大結(jié)構(gòu)”，分為3 個(gè)部分。分別為煤體上方塊體A、在煤柱邊緣上方破斷的上覆巖層形成的三角塊結(jié)構(gòu)、在采空區(qū)上方與巖塊B 形成的鉸接鏈結(jié)構(gòu)的巖塊C，如圖1 所示。側(cè)向?qū)嵜后w應(yīng)力分布由近及遠(yuǎn)的呈現(xiàn)出應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，將煤柱及巷道布置到應(yīng)力降低區(qū)即是保證沿空掘巷穩(wěn)定性的最合理方法。

圖1 沿空掘巷覆巖垮落大結(jié)構(gòu)圖

2.2 煤柱寬度計(jì)算

當(dāng)相鄰工作面回采過(guò)后，煤柱一側(cè)成為采空區(qū)，巷道掘進(jìn)時(shí)使得煤柱兩側(cè)形成一定范圍的塑性區(qū)，煤柱的寬度設(shè)定就與其兩側(cè)塑性區(qū)有關(guān)。根據(jù)極限平衡理論，考慮其自身穩(wěn)定性及巷道圍巖的穩(wěn)定性，煤柱寬度的計(jì)算包含3 個(gè)部分，如圖2 所示。計(jì)算煤柱寬度為：

圖2 沿空掘巷合理煤柱寬度示意圖

式中：B為煤柱寬度，m；x1為煤柱幫錨桿支護(hù)有效長(zhǎng)度，m；x2為考慮煤柱留設(shè)的富裕寬度，一般按（x1+x3）×（20%～40%）計(jì)算，m；x3為 9104 相鄰工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度，m；

其中，x3計(jì)算公式為：

式中：m為開(kāi)采煤層厚度，m；A為煤柱幫側(cè)壓系數(shù)；φ1為工作面煤體內(nèi)摩擦角，0；c1為工作面煤體內(nèi)聚力，MPa；K為煤柱應(yīng)力集中系數(shù)；γ1為巖層平均容重，N/m3；H為巷道埋深，m；Px為相鄰工作面煤柱幫的支護(hù)阻力，MPa。

根據(jù)礦方提供資料及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，將各項(xiàng)變量代入公式 （5） 中得到 ，x1為 2.2 m，x2為 2.2 m，x3為 3.8 m，即，B= 2.2 + 3.0 + 3.8 = 9.0 m，因此，在該工程背景下，煤柱的留設(shè)寬度至少為9 m 以上。

3 區(qū)段煤柱合理寬度數(shù)值模擬

采用FLAC3D軟件，結(jié)合9104 工作面工程背景，建立數(shù)值計(jì)算模型，采用摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行計(jì)算，分析煤柱寬度為 4 、6 、8 、12 、16 、25 m 時(shí)頂板垂直應(yīng)力峰值、巷道兩幫的垂直位移量，確定合理煤柱寬度，如圖3 所示。

圖3 數(shù)值模擬模型圖

3.1 不同寬度煤柱沿空巷道應(yīng)力分布規(guī)律

如圖4 所示為不同寬度煤柱條件下巷道兩幫的垂直應(yīng)力峰值變化規(guī)律圖，由圖可以看出，當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，煤柱幫所受垂直應(yīng)力峰值最小，隨著煤柱寬度的增加，煤柱幫垂直應(yīng)力峰值也隨著增加，當(dāng)煤柱寬度增加至16 m 時(shí)，與25 m 時(shí)相比應(yīng)力峰值已變化不大；隨著煤柱寬度的增加，實(shí)煤體幫垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)先增大后減小的情況，但總的來(lái)說(shuō)垂直應(yīng)力峰值變化的幅度不大，其中，當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為9、12 m 時(shí)，實(shí)煤體幫垂直應(yīng)力峰值稍大。

圖4 不同區(qū)段煤柱寬度垂直應(yīng)力峰值

3.2 不同寬度煤柱沿空巷道變形量變化規(guī)律

圖5 所示為不同寬度煤柱巷道兩幫的變形量曲線圖，由圖可看出，當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，巷道煤柱幫及實(shí)煤體幫變形量均比其他寬度大，雖然煤柱寬度為3 m 時(shí)，煤柱幫所受垂直應(yīng)力最小，但寬度較小使得煤柱不能承受上覆巖層壓力而變形較大，當(dāng)煤柱寬度為6、9、25 m 時(shí)，煤柱幫及實(shí)煤體幫的變形量均較小，但當(dāng)煤柱寬度為25 m 時(shí)處在應(yīng)力升高區(qū)，巷道兩幫所受垂直應(yīng)力較大，且煤柱太寬造成資源浪費(fèi)。當(dāng)煤柱為6 m 時(shí)，雖煤柱幫變形量與9 m 時(shí)相差不大，但實(shí)煤體幫變形較大，且根據(jù)上文的煤柱寬度計(jì)算公式小于9 m，因此，綜合考慮下，9 m 煤柱留設(shè)寬度為最佳寬度，能滿(mǎn)足工程實(shí)際需要。

圖5 不同區(qū)段煤柱寬度兩幫變形量

綜上所述，隨著煤柱寬度的增加，煤柱幫垂直應(yīng)力峰值也隨著增加，當(dāng)寬度增加到一定值時(shí)，垂直應(yīng)力峰值變化不大。當(dāng)煤柱寬度為6、9、25 m 時(shí)，煤柱幫及實(shí)煤體幫的變形量均較小，但煤柱太寬造成了不必要的資源浪費(fèi)，綜合考慮下，9 m 煤柱留設(shè)寬度為最佳寬度。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果檢驗(yàn)

4.1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

9104 回風(fēng)巷采用矩形斷面的形式沿著煤層底板掘進(jìn)，如圖6 所示。

圖6 巷道圍巖位移量圖

巷道頂板采用φ22 mm×2 400 mm 的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間距800 mm，排距1 000 mm；同時(shí)采用φ18.9 mm×6 300 mm 錨索對(duì)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。錨索間距800 mm，排距1 000 mm。巷道兩幫分別采用φ22 mm×2 200 mm 的高強(qiáng)度螺紋鋼和玻璃鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，間距為800 mm，排距為1 000 mm，。

4.2 巷道圍巖變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

煤柱合理寬度的留設(shè)不僅要考慮工作面能夠安全回采，還要考慮到資源的合理利用。在對(duì)兩方面進(jìn)行考慮后，確定了9 m 煤柱為留設(shè)的最佳寬度，并進(jìn)行了工程試驗(yàn)，在巷道中布置測(cè)站，監(jiān)測(cè)巷道在掘進(jìn)過(guò)程中的圍巖變形規(guī)律，巷道掘進(jìn)期間的變形量及相對(duì)變形速率如圖7、圖8 所示。

圖7 巷道圍巖位移量圖

圖8 巷道圍巖位移速率圖

如圖7 所示為巷道圍巖位移量監(jiān)測(cè)圖，由圖可以看出，9 m 煤柱的留設(shè)寬度能夠保證巷道的正常掘進(jìn)及工作面的回采安全。其中，巷道兩幫位移量比頂?shù)装迤螅褐鶐臀灰屏孔畲?，最大位移量達(dá)到了211 mm，頂板下沉量最小，最大下沉量?jī)H87 mm。巷道圍巖位移量在前30 d 內(nèi)變化較大?？偟膩?lái)說(shuō)，巷道圍巖位移量能夠保證工作面的安全回采。

圖8 所示為巷道圍巖位移變化量曲線圖，由圖可以看出，巷道圍巖位移變化率總的處于逐漸下降的狀態(tài)，并且在前30 d 內(nèi)下降速率最快，30 d 后，圍巖變形整體變慢；60 d 以后，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

1）根據(jù)煤柱計(jì)算公式及礦方提供資料得到，在該工程背景下，煤柱的留設(shè)寬度至少為9 m 以上。

2）根據(jù)數(shù)值模擬得到當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，煤柱幫所受垂直應(yīng)力峰值最小，隨著煤柱寬度的增加，煤柱幫垂直應(yīng)力峰值也隨著增加，實(shí)煤體幫垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)先增大后減小的情況。

3）當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，煤柱幫所受垂直應(yīng)力最小，但寬度較小使得煤柱不能承受上覆巖層壓力而變形較大，綜合考慮下，9 m 留設(shè)寬度為最佳。