段 龍

（臨汾宏大隆博煤業(yè)，山西 臨汾 042100）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電臨汾宏大隆博煤業(yè)目前主采2#煤層，埋深494～540 m，煤層厚度為3.4～4.2 m，平均3.8 m，煤層傾角0°～12°，平均6°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，為穩(wěn)定可采煤層。如表1 所示，2#煤層上方依次為均厚1.3 m 的泥巖、均厚3.9 m 的粉砂巖及均厚5.4 m 的細(xì)粒砂巖，下方為均厚1.4 m 的泥巖和2.8 m 的中粒砂巖。

表1 2#煤層頂?shù)装鍘r性

以往2#煤層工作面設(shè)計(jì)區(qū)段煤柱尺寸為30 m，以均厚3.8 m、單個工作面走向長度1000 m 計(jì)算，僅一條區(qū)段煤柱，浪費(fèi)約16.4 萬t 煤炭資源，急需對區(qū)段煤柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化[1-5]，提高煤炭資源回收率。

2 區(qū)段小煤柱合理尺寸

2.1 區(qū)段小煤柱合理尺寸理論計(jì)算

區(qū)段煤柱尺寸過大，會造成不必要的資源浪費(fèi)，影響煤炭資源回收率；而煤柱尺寸過小，則煤柱支撐力不足，在受到多次擾動后，極易造成煤柱失穩(wěn)，引發(fā)安全事故。因此，合理的區(qū)段小煤柱尺寸，應(yīng)在保證煤炭資源回收率的同時，還要維持煤柱本身的穩(wěn)定性[1-5]。如圖1 所示，合理的區(qū)段小煤柱尺寸可由下式計(jì)算。

圖1 區(qū)段小煤柱合理尺寸計(jì)算模型

如圖1 所示， 合理的區(qū)段煤柱尺寸X=X1+X2+X3。X1為工作面回采后區(qū)段煤柱在采空區(qū)側(cè)形成的塑性區(qū)范圍；X2為煤柱寬度富余量，一般為0.99～2.31 m；X3為錨桿支護(hù)的有效長度，取2.0 m。其中X1可由極限平衡理論公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：M為采高，3.8 m；A為修正系數(shù)，0.4；C0為內(nèi)聚力，1.78 MPa；φ0為內(nèi)摩擦角，34.4°；K為極限平衡系數(shù)，2.5；γ為容重，25 kN/m3；H為埋深，510 m；Pz為荷載，0.15 MPa。計(jì)算可得X1=2.71m，代入計(jì)算可得2#煤層區(qū)段煤柱的合理尺寸為5.7～7.02 m。

2.2 數(shù)值模擬分析

以2#煤層地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，模型尺寸長×高=160 m×100 m，對模型下邊界及左右邊界均施加約束，上邊界施加12.4 MPa 的垂直應(yīng)力，等效于510 m 上覆巖層的自重應(yīng)力。以上述理論計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，分別對區(qū)段煤柱尺寸為5 m、6 m、7 m、8 m 進(jìn)行模擬。為避免邊界效應(yīng)，在模型左右邊界各留40 m 的邊界實(shí)體煤，巷道斷面尺寸為寬×高=4.8 m×3.5 m。數(shù)值模擬結(jié)果如圖2。

圖2 不同尺寸煤柱塑性區(qū)示意圖

如圖2 所示，區(qū)段煤柱塑性區(qū)范圍與煤柱尺寸呈反比關(guān)系。當(dāng)煤柱尺寸為5 m 時，煤柱僅在上端有一部分煤體處于彈性狀態(tài)，大部分煤柱均處于塑性狀態(tài)，此時區(qū)段煤柱支撐力小；當(dāng)煤柱尺寸為6 m 時，煤柱彈性區(qū)范圍有所增大，占總面積的48%，但是煤柱大部分煤體仍處于塑性狀態(tài)，尤其是區(qū)段煤柱中心區(qū)域仍為塑性區(qū)，區(qū)段煤柱支撐力仍然不足；當(dāng)煤柱尺寸為7 m 時，煤柱彈性范圍進(jìn)一步增大，占到總面積的62%，且區(qū)段煤柱中心區(qū)域煤體均處于彈性狀態(tài)，表明煤柱支撐力較好；當(dāng)煤柱尺寸為8 m 時，煤柱彈性區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，占到煤柱總面積的71%，此時區(qū)段煤柱只有少部分煤體處于塑性狀態(tài)，支撐能力大，但是過大的尺寸會造成一定的資源浪費(fèi)。

如圖3 所示，不同尺寸的區(qū)段煤柱，巷道圍巖均為非對稱變形，巷道頂板及煤柱側(cè)圍巖變形大于底板及實(shí)體煤側(cè)圍巖變形。當(dāng)煤柱寬度為5 m時，巷道頂板變形量為頂?shù)装遄冃瘟康?6.4%，巷道煤柱側(cè)變形量占兩幫變形量的70.2%；當(dāng)煤柱寬度為6 m 時，巷道頂板變形量為頂?shù)装遄冃瘟康?4.5%，巷道煤柱側(cè)變形量占兩幫變形量的70.5%；當(dāng)煤柱寬度為7 m 時，巷道頂板變形量為頂?shù)装遄冃瘟康?2.8%，巷道煤柱側(cè)變形量占兩幫變形量的70.7%；當(dāng)煤柱寬度為8 m 時，巷道頂板變形量為頂?shù)装遄冃瘟康?2.3%，巷道煤柱側(cè)變形量占兩幫變形量的70.5%。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著煤柱尺寸的增大，巷道頂板變形量明顯減小，巷道煤柱側(cè)及實(shí)體煤側(cè)變形量也明顯減小。

圖3 不同尺寸煤柱垂直應(yīng)力分布示意圖

綜合以上數(shù)值模擬所得到不同煤柱尺寸條件下區(qū)段煤柱塑性區(qū)范圍及巷道圍巖變形量變化情況，確定2#煤層區(qū)段煤柱合理尺寸為7 m。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

以2-508 綜采工作面為工程背景進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。2-508 運(yùn)輸巷與鄰近工作面采空區(qū)之間留設(shè)7 m 寬區(qū)段煤柱，巷道斷面尺寸為寬×高=4.8 m×3.5 m。巷道支護(hù)方案如圖4，頂板錨桿選用Ф20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm，頂板錨索規(guī)格為Ф18.9 mm×7300 mm，間排距為2000 mm×1800 mm。幫錨桿選用Ф20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900 mm。

圖4 巷道支護(hù)斷面圖（mm）

為了解區(qū)段煤柱尺寸為7 m 時的現(xiàn)場效果，在2-508 運(yùn)輸巷超前開切眼100 m 及200 m 位置布置測點(diǎn)，對巷道頂?shù)装遄冃瘟?、兩幫變形量及頂板離層量進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測曲線如圖5。

如圖5 所示，隨著工作面的推進(jìn)，巷道圍巖變形量及離層量均呈現(xiàn)先不變、后增大的變化趨勢，最終測點(diǎn)1 所監(jiān)測到的巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?6 mm，兩幫變形量最大值為34 mm，頂板離層量僅為21 mm；測點(diǎn)2 所監(jiān)測到的巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?5 mm，兩幫變形量最大值為41 mm，離層量最大值僅為17 mm?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，當(dāng)區(qū)段煤柱設(shè)置為7 m 時，巷道圍巖變形量較小，頂板巖層并未產(chǎn)生明顯的離層現(xiàn)象，可以滿足安全生產(chǎn)需求。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)測曲線

4 結(jié)論

采用理論分析及數(shù)值模擬的方案，對工作面區(qū)段煤柱的合理尺寸進(jìn)行了分析，確定合理的區(qū)段小煤柱尺寸為7 m，并在隆博煤業(yè)2-508 綜采工作面進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。通過對2-508 運(yùn)輸巷圍巖變形量及頂板離層量的現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明當(dāng)區(qū)段煤柱設(shè)置為7 m 時，巷道圍巖變形量不大，且未出現(xiàn)明顯的頂板離層現(xiàn)象，可以滿足安全生產(chǎn)需求。