左文強(qiáng)，郭光裕

（1.陜西延長石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司，陜西榆林 719000；2.陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西榆林 719000）

礦井護(hù)巷煤柱的留設(shè)是巷道圍巖控制的重要組成部分，煤柱尺寸留設(shè)不合理易造成資源浪費(fèi)更會(huì)致使煤巖體應(yīng)力高度集中而引發(fā)礦井災(zāi)害[1-3]。

為縮短局部通風(fēng)距離，利于瓦斯管理和安全保障，許多大采高一次采全高綜采礦井采用雙巷掘進(jìn)[4-8]，然而針對(duì)二次采動(dòng)影響下大采高綜采面雙巷掘進(jìn)巷間保護(hù)煤柱尺寸的合理留設(shè)研究較少。

鑒于此，本文以小保當(dāng)?shù)V一號(hào)井112201 綜采工作面雙巷間護(hù)巷煤柱尺寸的合理留設(shè)為工程背景，通過理論分析對(duì)大采高綜采工作面雙巷巷間煤柱尺寸進(jìn)行初步計(jì)算確定，并采用數(shù)值模擬軟件分析單、雙側(cè)采動(dòng)影響下不同煤柱尺寸工作面前方垂直應(yīng)力演化特征，最終得到煤柱的合理留設(shè)尺寸，并基于非對(duì)稱支護(hù)原理提出了錨網(wǎng)索多方式聯(lián)合支護(hù)方案，研究成果可為類似條件礦井工作面區(qū)段煤柱留設(shè)及巷道圍巖控制提供參考。

1 工程地質(zhì)條件

小保當(dāng)?shù)V一號(hào)井位于陜西省神木市，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1500×104t/a，112201 綜采工作面位于2-2煤11 盤區(qū)，設(shè)計(jì)走向長度4800m，傾向長度350m，煤層埋深353～440m，厚度4.2～7m，均厚5.8m，平均傾角1°。112201綜采工作面直接頂為2.67～3.37m的細(xì)粒砂巖，老頂為14.23～35.29m 的中粒砂巖，直接底為2.05～2.67m 的砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，老底為2.9～9.55m 的砂質(zhì)泥巖。112201 工作面順槽采用“兩進(jìn)一回”布置，112201 工作面輔助運(yùn)輸順槽待112201 工作面回采結(jié)束后在112202工作面作為回風(fēng)順槽繼續(xù)復(fù)用。工作面布置如圖1所示。

2 理論分析

2.1 受力狀態(tài)分析

雙巷掘進(jìn)期間，在單側(cè)工作面采空區(qū)條件下，巷間保護(hù)煤柱的破裂區(qū)位于采空區(qū)邊緣，煤柱內(nèi)應(yīng)力在破裂區(qū)增長迅速并形成高應(yīng)力集中，增長至塑性區(qū)后達(dá)到最大值，此時(shí)煤柱內(nèi)應(yīng)力與其承載能力達(dá)到彈塑性平衡狀態(tài)，之后煤柱內(nèi)應(yīng)力逐漸減小并最終趨于平緩，在原巖應(yīng)力區(qū)煤柱恢復(fù)彈性平衡狀態(tài)。雙側(cè)工作面采空狀態(tài)下，煤柱內(nèi)應(yīng)力以彈性核區(qū)為基準(zhǔn)對(duì)稱分布，表現(xiàn)為“雙峰”狀態(tài)，與單工作面采空狀態(tài)相比，雙側(cè)工作面采空時(shí)破裂區(qū)內(nèi)煤柱破壞更嚴(yán)重，煤柱強(qiáng)度降低，抵抗破壞的能力大大減弱[9]。煤柱內(nèi)應(yīng)力在塑性區(qū)表現(xiàn)出最大值，隨后其在彈性核區(qū)內(nèi)減小，此時(shí)煤柱形態(tài)較完整，抵抗破壞的能力較強(qiáng)。

2.2 煤柱寬度計(jì)算

按照煤巷兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡理論，合理的最小護(hù)巷煤柱寬度是[10]：

式中：L——煤柱寬度，m；

L1——煤柱在采空區(qū)一側(cè)的塑性區(qū)寬度，m；

L2——核區(qū)寬度，m；

L3——煤柱在巷道一側(cè)的塑性區(qū)寬度，m。

綜采工作面在采空區(qū)一側(cè)的塑性區(qū)寬度為：

式中：m——煤柱高度；

d——開采擾動(dòng)因子；

C——粘聚力；

σx——煤壁的側(cè)向約束應(yīng)力；

θ——內(nèi)摩擦角；

σ1——煤柱極限強(qiáng)度；

β——塑性區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)。

按巷道高度計(jì)算得巷間煤柱寬度為17.63m，按采高計(jì)算得巷間煤柱寬度為25.47m，因此，理論計(jì)算得煤柱范圍為17.63～25.47m。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

參考小保當(dāng)煤礦2-2煤層地質(zhì)資料，建立FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸（長×寬×高）175m×70m×60m，模型固定底部邊界，頂部邊界自由。為進(jìn)一步確定巷間保護(hù)煤柱的合理尺寸，建立15m、20m和25m三種不同煤柱尺寸的數(shù)值模型進(jìn)行模擬計(jì)算。工作面兩條順槽開挖至平衡后，112201 工作面開挖完成并沿工作面中心線監(jiān)測煤柱及實(shí)體煤內(nèi)的應(yīng)力，隨后112202 工作面開挖35m且也沿工作面中心線監(jiān)測煤柱及實(shí)體煤內(nèi)的應(yīng)力。

3.2 模擬結(jié)果

單側(cè)采動(dòng)影響下，112201 工作面開挖后工作面前方垂直應(yīng)力演化云圖如圖2 所示。由演化云圖可以看出，工作面開挖后采空區(qū)范圍內(nèi)頂?shù)装鍘r層呈現(xiàn)明顯卸壓狀態(tài)，煤柱內(nèi)則出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。由應(yīng)力演化曲線可以看出，沿工作面傾向，在遠(yuǎn)離工作面的位置，應(yīng)力大小雖有輕微波動(dòng)但隨著靠近工作面呈逐漸減小的趨勢，尤其在112201 工作面輔助順槽附近因開挖卸壓而應(yīng)力減小劇烈，煤柱內(nèi)則因?yàn)閼?yīng)力集中而使得應(yīng)力大于原巖應(yīng)力。不同護(hù)巷煤柱尺寸下，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中情況也不盡相同，15m、20m 和25m 護(hù)巷煤柱尺寸下煤柱內(nèi)的應(yīng)力峰值分別為39.5MPa、36.3MPa 和35.9MPa，20m和25m煤柱尺寸時(shí)兩者應(yīng)力峰值相差較小。

雙側(cè)二次采動(dòng)影響下，112202 工作面開挖后工作面前方垂直應(yīng)力演化云圖如圖3所示。由圖可以看出，雙側(cè)采動(dòng)影響下沿工作面傾向應(yīng)力演化趨勢與單側(cè)采動(dòng)時(shí)基本一致，但由于超前支承壓力的作用，112202工作面前方應(yīng)力略大于單側(cè)采動(dòng)。此外，煤柱內(nèi)應(yīng)力大小也略大于單側(cè)單側(cè)采動(dòng)時(shí)煤柱內(nèi)的應(yīng)力，15m、20m和25m 護(hù)巷煤柱尺寸下煤柱內(nèi)的應(yīng)力峰值分別為40.6MPa、37.2MPa 和36.9MPa，15m 煤柱時(shí)其內(nèi)部應(yīng)力仍大于20m和25m煤柱尺寸其內(nèi)部的應(yīng)力。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，單側(cè)采動(dòng)及雙側(cè)二次采動(dòng)總體對(duì)煤柱內(nèi)部應(yīng)力大小影響不大，但煤柱尺寸對(duì)采動(dòng)影響下大采高綜采面的煤柱內(nèi)應(yīng)力影響較大，總體呈現(xiàn)隨煤柱尺寸增大其內(nèi)部應(yīng)力減小的趨勢。然而，當(dāng)煤柱尺寸增加到20m后再增加煤柱尺寸其內(nèi)部應(yīng)力不再發(fā)生顯著變化，結(jié)合前文理論計(jì)算結(jié)果，確定小保當(dāng)一號(hào)井112201 工作面雙巷巷間的護(hù)巷煤柱尺寸為20m。

4 圍巖控制技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用情況

4.1 圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)方案

結(jié)合相鄰工作面回采巷道的變形破壞特征及支護(hù)方案，基于非對(duì)稱支護(hù)原理及施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，提出了112201 工作面輔助運(yùn)輸順槽支護(hù)方案，具體支護(hù)參數(shù)如圖4所示。

頂板支護(hù)錨桿采用?20mm×2400mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm，托板采用Q235鋼，規(guī)格?170mm×10mm，錨桿錨固力不小于200kN，扭矩力不小于200N·m；錨索采用?17.8mm×6300mm的鋼絞線，每排2根錨索，間排距為2400mm×3000mm，托板為300mm×300mm×16mm 預(yù)應(yīng)力鋼托板，錨固力不低于200kN。

開采幫支護(hù)采用?22mm×2400mm 玻璃鋼錨桿，間排距為900mm×1000mm，托板采用樹脂托盤+松木托盤（400mm×200mm×50mm），錨固力不小于120kN，扭矩不小于80N·m；非開采幫支護(hù)采用?20mm×2400mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900mm×1000mm，托板采用Q235 鋼，規(guī)格?170mm×10mm，錨固力不小于200kN，扭矩力不小于200N·m。

當(dāng)巷道受二次采動(dòng)影響水平應(yīng)力增大時(shí)，及時(shí)補(bǔ)打?17.8mm×5300mm幫部短錨索。

4.2 應(yīng)用效果

為驗(yàn)證煤柱留設(shè)寬度與支護(hù)參數(shù)選擇的合理性，在112201 工作面輔助運(yùn)輸順槽進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括巷道表面位移變形情況、頂板覆巖穩(wěn)定及完整情況。

在112201工作面輔助運(yùn)輸順槽中心位置布置測站進(jìn)行巷道表面位移觀測，觀測時(shí)間持續(xù)90d。如圖5所示，在設(shè)計(jì)20m護(hù)巷煤柱尺寸下，巷道表面位移變形量較小，0～40d觀測期內(nèi)，巷道表面位移近似線性緩慢增長，此后逐步趨于穩(wěn)定。頂板下沉量、底鼓量及巷道兩幫移近量最大分別為47.7mm、40.5mm、55.3mm，三者均在巷道圍巖變形可控范圍內(nèi)，表明設(shè)計(jì)20m 護(hù)巷煤柱尺寸能有效保證巷道穩(wěn)定。

在112201工作面輔助運(yùn)輸順槽中心位置沿頂板進(jìn)行鉆孔窺視，鉆孔深8m，觀測發(fā)現(xiàn)孔口位置巖石破碎嚴(yán)重，這是由于初始位置鉆頭破壞所致。隨著鉆孔深度增加，鉆孔孔壁光滑完整，雖交叉分布有少量環(huán)向和縱向裂隙，但無明顯巖石破碎，說明巷道頂板巖石完整且穩(wěn)定性好，設(shè)計(jì)煤柱尺寸能充分保證巷道圍巖穩(wěn)定。

5 結(jié)論

（1）理論分析可知，單、雙側(cè)采動(dòng)影響下巷間煤柱受力狀態(tài)不同，雙側(cè)采動(dòng)時(shí)其強(qiáng)度較低、抵抗破壞的能力較差，理論計(jì)算得采動(dòng)影響下大采高綜采面雙巷掘進(jìn)巷間煤柱的尺寸范圍是17.63～25.47m。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明單、雙側(cè)采動(dòng)對(duì)煤柱穩(wěn)定整體影響較小，煤柱尺寸對(duì)其內(nèi)部應(yīng)力影響明顯，煤柱尺寸為20m、25m時(shí)其內(nèi)部應(yīng)力相差不大，兼顧經(jīng)濟(jì)安全效益選擇20m作為最終煤柱尺寸。

（3）現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，設(shè)計(jì)20m 煤柱尺寸下，巷道表面位移較小、頂板覆巖完整且穩(wěn)定性好，說明研究結(jié)果能充分滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)需要。