徐海蕓，趙 凱，張彥奇

(山西長(zhǎng)治聯(lián)盛煤業(yè)投資有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

沿空掘巷技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)于順序開(kāi)采接續(xù)的生產(chǎn)礦井，在上區(qū)段工作面開(kāi)采時(shí)就迎著采動(dòng)方向掘巷，稱之為迎采對(duì)掘[1-2]。迎采對(duì)掘巷道在動(dòng)壓的影響下容易產(chǎn)生大變形，因此選取合理的煤柱寬度使巷道避開(kāi)支承應(yīng)力峰值區(qū)，對(duì)增加圍巖穩(wěn)定性具有重要意義。

在迎采動(dòng)掘巷圍巖穩(wěn)定控制方面，大量的學(xué)者開(kāi)展了研究。陳曉祥等[3]對(duì)迎采動(dòng)掘巷期間的圍巖變形和支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，提出采用5 m窄煤柱護(hù)巷及優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，能夠有效控制巷道圍巖變形。袁振華[4]對(duì)迎采動(dòng)掘巷圍巖應(yīng)力分布特征及控制技術(shù)進(jìn)行研究，得出采用8 m寬煤柱并輔以“錨網(wǎng)索+單體液壓支柱+π型梁”聯(lián)合支護(hù)措施，能夠保證巷道的穩(wěn)定性。王潔[5]以肖家洼煤礦為工程背景，研究了迎采掘巷合理煤柱寬度和掘巷時(shí)機(jī)。李偉[6]采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方法，分析了大采高工作面沿空掘巷煤柱的穩(wěn)定性。

基于學(xué)者針對(duì)沿空掘巷的大量研究，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法研究西掌煤礦迎采動(dòng)掘巷的合理煤柱寬度，為相似條件礦井迎采對(duì)掘煤柱留設(shè)提供了借鑒。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)條件

西掌煤礦主采15號(hào)煤層，為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)近水平煤層，平均煤厚3.71 m，埋深約為174 m，煤層直接頂為炭質(zhì)泥巖(0.9～1.32 m)，老頂為K2石灰?guī)r(8.72 m)，直接底為砂質(zhì)泥巖(2.7 m)，老底為細(xì)砂巖(4.01 m)。目前正開(kāi)采15102工作面，采用綜采一次采全高采煤方法，工作面寬度為160 m，推進(jìn)長(zhǎng)度約1 250 m，工作面平面布置圖如圖1所示。15103工作面作為接替工作面，正在掘進(jìn)15103回風(fēng)巷，巷道沿煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，巷道寬4.5 m，高4.0 m。

圖1 15102工作面采掘平面圖

1.2 迎采對(duì)掘巷道變形特征

西掌煤礦在早期開(kāi)采15101工作面時(shí)，15102回風(fēng)巷也為迎采動(dòng)掘巷，區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為15 m(圖1)。15102回風(fēng)巷在掘巷期間就發(fā)生大變形，巷道頂?shù)装逡平孔畲?.8 m，兩幫移近量最大2.5 m，導(dǎo)致15102工作面通風(fēng)和行人困難，影響采掘接替，如圖2所示。

圖2 迎采對(duì)掘巷道大變形

分析造成15102回風(fēng)巷大變形的主要原因是區(qū)段煤柱寬度留設(shè)不合理，導(dǎo)致巷道處在15101工作面的側(cè)向支承應(yīng)力峰值區(qū)域，覆巖大結(jié)構(gòu)形成的高應(yīng)力環(huán)境造成15102回風(fēng)巷支護(hù)困難。因此，為防止接替工作面發(fā)生類似的情況，在回采15102工作面時(shí)掘進(jìn)15103回風(fēng)巷需要留設(shè)合理的煤柱寬度，達(dá)到優(yōu)化應(yīng)力環(huán)境、控制巷道大變形的目的。

2 迎采動(dòng)掘巷煤柱寬度理論計(jì)算

迎采動(dòng)掘巷留設(shè)的煤柱寬度太小，則巷道開(kāi)掘以后煤柱在采動(dòng)和掘進(jìn)雙重影響下容易發(fā)生破碎，支護(hù)的錨桿在破碎煤體中錨固力下降，減弱了錨桿的支護(hù)效果。因此根據(jù)理論計(jì)算[7]，合理的窄煤柱寬度B的計(jì)算如圖3所示。

圖3 合理沿空掘巷煤柱寬度計(jì)算

計(jì)算公式為：

B=x1+x2+x3

(1)

式中：x1為由于上區(qū)段工作面采動(dòng)煤柱幫形成的破碎區(qū)范圍，其值可通過(guò)公式(2)計(jì)算。

(2)

式中：M為煤層采厚，m；A為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/(1-μ)，μ為泊松比；φ0為煤層界面的內(nèi)摩擦角，°；C0為煤層界面的內(nèi)聚力，MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為巖層容重，kN/m3；H為巷道埋深，m；Px為對(duì)煤幫的支護(hù)阻力；x2為巷道窄煤柱幫錨桿有效長(zhǎng)度，再乘以0.15的安全系數(shù)，m；x3為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，按0.2(x1+x2)計(jì)算。

鑒于西掌煤礦15103工作面回風(fēng)巷地質(zhì)條件，代入公式(2)計(jì)算。其中：M=4.5 m，A=0.4，φ0=30°，k=2.2，γ=25 kN/m3，H=170 m，C0=2.0 MPa，Px=0.1。求得煤柱合理寬度B=5.2 m。該計(jì)算結(jié)果僅是從煤柱破壞特征出發(fā)，仍需采用數(shù)值模擬方法來(lái)分析不同煤柱寬度條件下巷道圍巖變形特征。

3 迎采動(dòng)掘巷煤柱寬度數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

利用UDEC模擬軟件，分析15103回風(fēng)巷在不同煤柱寬度下，側(cè)向支承應(yīng)力、煤柱內(nèi)應(yīng)力和圍巖變形規(guī)律，確定合理的區(qū)段煤柱的寬度，為15103回風(fēng)巷圍巖控制提供依據(jù)。結(jié)合15103回風(fēng)巷特定的生產(chǎn)地質(zhì)條件建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖4所示。模型尺寸為200 m×33.4 m(長(zhǎng)×高)。將模型左、右及底部邊界固定，根據(jù)巷道埋深170 m，在模型頂邊界施加3.5 MPa的均布載荷，側(cè)壓系數(shù)取1.0。巷道斷面大小為4 m×4.5 m(長(zhǎng)×寬)，分別分析在3 m、5 m、8 m及15 m煤柱寬度下巷道圍巖變形特征。

圖4 數(shù)值模型圖

3.2 側(cè)向支承應(yīng)力演化規(guī)律

15102工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力分布特征如圖5所示。15102工作面回采結(jié)束后，采空區(qū)側(cè)煤體內(nèi)垂直應(yīng)力從0.6 MPa增加到9.5 MPa，隨后又降低至原巖應(yīng)力4.25 MPa。峰值出現(xiàn)在距離采空區(qū)15 m處，峰值大小為9.5 MPa；在距離采空區(qū)5 m范圍煤體內(nèi)垂直應(yīng)力有所下降，應(yīng)力為3.5 MPa；在距離采空區(qū)23 m處，煤體內(nèi)垂直應(yīng)力降至原巖應(yīng)力，應(yīng)力為4.25 MPa。因此，留設(shè)煤柱寬度15 m時(shí)巷道處在支承應(yīng)力峰值區(qū)，容易產(chǎn)生大變形。

圖5 采空區(qū)側(cè)煤體垂直應(yīng)力分布

3.3 煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律

模擬得到15103回風(fēng)巷不同寬度煤柱掘進(jìn)時(shí)的內(nèi)應(yīng)力變化曲線，如圖6所示。煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力隨著煤柱寬度的增加而逐漸增大。煤柱寬度3 m時(shí)，煤柱整體出現(xiàn)了塑性破壞，該條件下應(yīng)力峰值(3.5 MPa)小于原巖應(yīng)力值，煤柱承載能力喪失；煤柱寬度5 m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值(8.5 MPa)大于原巖應(yīng)力值，表明煤柱具有一定的承載能力；煤柱寬度8 m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力呈單峰狀，應(yīng)力峰值(12 MPa)大于原巖應(yīng)力值，峰值位于巷道前方6.2 m位置。煤柱寬度15 m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力呈單峰曲線峰值為16 MPa，其峰值出現(xiàn)在巷道6 m處。

圖6 煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線圖

3.4 巷道圍巖變形特征

模擬得到15103回風(fēng)巷不同寬度煤柱下的圍巖變形特征，如圖7所示。煤柱變形量隨著煤柱寬度的增加呈現(xiàn)“減小—增大”的特征。煤柱寬度為3 m時(shí)，煤柱整體破壞較為嚴(yán)重，巷道實(shí)煤體最大變形量超過(guò)600 mm，采空區(qū)側(cè)煤柱最大變形量約為400 mm；煤柱寬度為5 m時(shí)，巷道實(shí)煤體幫、煤柱幫變形量分別為190 mm、230 mm；煤柱寬度為8 m時(shí)，巷道實(shí)煤體幫、煤柱幫變形量分別為210 mm、480 mm；煤柱寬度為15 m時(shí)，巷道實(shí)煤體幫、煤柱幫變形量分別為350 mm、620 mm。

圖7 不同寬度煤柱圍巖變形曲線圖

根據(jù)上述對(duì)煤柱寬度的研究，可知煤柱寬度為5～8 m是15103回風(fēng)巷迎采掘巷的合理煤柱寬度?？紤]到回采過(guò)程中受超前支承壓力影響，以及15103工作面的液壓支架布置數(shù)量等實(shí)際問(wèn)題，為增大掘進(jìn)及回采過(guò)程中巷道的安全系數(shù)，最終確定15103回風(fēng)巷的護(hù)巷煤柱寬度為7 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

15103回風(fēng)巷留設(shè)7 m煤柱迎采動(dòng)掘進(jìn)過(guò)程中的圍巖變形量，如圖8所示。

圖8 15103回風(fēng)巷圍巖變形

由圖8可知，巷道的變形量主要在距離迎頭100 m范圍內(nèi)產(chǎn)生，頂?shù)装逡平孔畲鬄?08 mm，兩幫移近量最大為282 mm，相比于留設(shè)15 m煤柱降低了88%，驗(yàn)證了理論分析和數(shù)值模擬的合理性。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 西掌煤礦迎采掘巷留設(shè)15 m煤柱時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔畲笾捣謩e為1.8 m、2.5 m，煤柱寬度不合理是引發(fā)大變形的主要原因。

2) 理論計(jì)算結(jié)合數(shù)值模擬研究表明合理的迎采動(dòng)掘巷煤柱寬度應(yīng)在5～8 m范圍，最終確定15103回風(fēng)巷迎采掘巷的煤柱寬度為7 m。

3) 15103回風(fēng)巷留設(shè)7 m煤柱迎采動(dòng)掘巷，頂?shù)装逡平孔畲鬄?08 mm，兩幫移近量最大為282 mm，相比于留設(shè)15 m煤柱降低了88%，有效控制動(dòng)了壓巷道的大變形。