耿永飛

（陽煤集團(tuán)壽陽景福煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

1 概 況

陽煤集團(tuán)二礦81215 綜放工作面主采15 號(hào)煤，煤層厚度5.08～7.07 m，平均6.40 m，煤層傾角2°～27°，平均4°，煤層屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，含夾石2～4 層，較穩(wěn)定的夾石有2 層，自上而下結(jié)構(gòu)依次為：距煤層頂板0.24 m 左右的八寸石，平均厚度為0.06 m；距煤層底板2.8 m 左右的夾矸，平均厚度為0.1 m，夾石巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)Table 1 Coal seam roof and floor structure

81215 工作面位于+470 水平十二采區(qū)，工作面東部為81219 工作面采空區(qū)，西部為尚未掘進(jìn)的81213 工作面。工作面埋藏深度+373～+536 m，走向長度1 355 m，傾斜長度258 m。工作面采用綜采放頂煤的方法進(jìn)行開采，割煤高度為2.6～2.8 m，放煤高度3.6~3.8 m。

目前該礦一直沿用25～30 m 左右的寬煤柱護(hù)巷，大量的寬煤柱難以回收，使得煤炭資源損失嚴(yán)重。為了在保證礦井安全高效回采的前提下，盡可能的提高煤炭資源的回收率，需對(duì)區(qū)段煤柱的合理留設(shè)尺寸進(jìn)行優(yōu)化研究。決定在81215 綜放工作面回風(fēng)巷進(jìn)行小煤柱沿空掘巷試驗(yàn)。

2 合理煤柱寬度優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 合理煤柱寬度的理論分析

小煤柱沿空掘巷能否達(dá)到預(yù)期效果的關(guān)鍵在于選取的煤柱寬度是否合理，根據(jù)窄煤柱巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，小煤柱留巷需滿足以下要求：①支護(hù)采用的錨固結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，保證留巷段圍巖的完整性，防止松動(dòng)圈進(jìn)一步擴(kuò)大；②盡可能多的提高煤炭資源回收率，但需保證巷道的穩(wěn)定性；③通過選取合理的煤柱寬度，將巷道置于側(cè)向應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，有利于對(duì)巷道進(jìn)行維護(hù)；④留設(shè)的煤柱應(yīng)具有足夠面積的彈性核區(qū)，能夠有效承載覆巖壓力，并隔絕采空區(qū)有害氣體溢出。

上區(qū)段工作面回采后，應(yīng)力重新分布，自采空區(qū)邊緣起，側(cè)向支承應(yīng)力先呈增高趨勢，后逐漸降低衰減，最終穩(wěn)定至原巖應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)側(cè)向支承應(yīng)力的分布特征將區(qū)段煤柱劃分為3 個(gè)區(qū)域，分別為本、工作面開挖后巷道圍巖破壞區(qū)X1、上區(qū)段采空區(qū)邊緣由于采動(dòng)應(yīng)力形成的塑性破壞區(qū)X2、煤柱內(nèi)的彈性核區(qū)X3，如圖1 所示。

圖1 小煤柱分區(qū)示意Fig.1 Small coal pillar zoning diagram

根據(jù)側(cè)向支承應(yīng)力分布特征，巷道應(yīng)盡量布置在應(yīng)力降低區(qū)或原巖應(yīng)力區(qū)，可通過極限平衡理論對(duì)合理小煤柱的寬度D進(jìn)行計(jì)算：

其中巷道圍巖破壞區(qū)X1的計(jì)算公式為：

式中：B 為巷道寬度，m；M 為工作面埋深，m；C為圍巖黏聚力，MPa；φ為煤巖體內(nèi)摩擦角，（°）。

采空區(qū)邊緣煤柱塑性區(qū)寬度X2的計(jì)算公式為：

式中：A 為側(cè)壓系數(shù)；K 為煤柱穩(wěn)定系數(shù)；γ 為巖層平均體積力，N/m3；P 為上區(qū)段平巷支架對(duì)下幫的支護(hù)阻力，kN。

煤柱內(nèi)彈性區(qū)X3為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱寬度富余量，一般按（X1+X2） 值的30%~50%計(jì)算。

將陽煤二礦81215 綜放工作面的相關(guān)參數(shù)帶入，得出該工作面沿空掘巷合理的小煤柱寬度為6.57～7.68 m。

2.2 合理煤柱寬度的模擬分析

2.2.1 建立模型

依據(jù)81215 綜放工作面的實(shí)際賦存條件，采用UDEC 數(shù)值模擬軟件建立模型，模型尺寸長×高=150 m×26.2 m，利用軟件中的泰森多邊形Trigon命令將巷道及煤柱劃分為Voronoi 三角形網(wǎng)格。根據(jù)工作面埋深，在模型頂部施加14.0 MPa 的垂直應(yīng)力以模擬覆巖壓力，側(cè)壓系數(shù)為0.8。通過邊界條件約束模型左右兩端的水平位移以及底部的垂直位移。

計(jì)算時(shí)，煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)按表2 進(jìn)行賦參。根據(jù)理論分析結(jié)果，確定出模擬中的煤柱寬度分別為6、8、10、15 m。建立的模型如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模擬模性Fig.2 Modulus of numerical simulation

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

2.2.2 煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律

不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖3 所示。

圖3 煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布規(guī)律Fig.3 Vertical stress distribution in coal pillar

由圖3 可知，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力隨著煤柱寬度的增加而增大，當(dāng)煤柱寬度為6 m 時(shí)，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力整體較低，其應(yīng)力峰值為3.52 MPa，低于原巖應(yīng)力6.13 MPa，說明此寬度下的煤柱已全部破壞，失去了承載能力；當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí)，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值為11.8 MPa，高于原巖應(yīng)力，此寬度下的煤柱內(nèi)部存在一定的彈性核區(qū)，煤柱兩邊呈塑性，具有一定的承載能力；當(dāng)煤柱寬度為10 m 時(shí)，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力呈單峰曲線式分布，峰值為19.7 MPa，高于原巖應(yīng)力，峰值位置距離巷道邊緣6.5 m；當(dāng)煤柱寬度為15 m 時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力也呈單峰曲線式分布，峰值為24.9 MPa，峰值位置距離巷道邊緣6.0 m。

2.2.3 煤柱內(nèi)裂隙發(fā)育特征

不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)的裂隙發(fā)育特征如圖4所示。圖中，淺色為張拉裂隙，深色為剪切裂隙。

圖4 煤柱內(nèi)的裂隙發(fā)育特征Fig.4 Characteristics of fracture development in coal pillar

由圖4 可知，隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)的裂隙閉合區(qū)（即彈性核區(qū)） 范圍逐漸擴(kuò)大。當(dāng)煤柱寬度為6 m 時(shí)，煤柱內(nèi)的裂隙高度發(fā)育并完全貫通，不具備承載能力；當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí)，煤柱內(nèi)出現(xiàn)了裂隙閉合區(qū)（彈性核區(qū)），其寬度為1.5 m，具有承載能力；當(dāng)煤柱寬度為10 m、15 m 時(shí)，煤柱內(nèi)的裂隙閉合區(qū)寬度分別為2.8 m、5.0 m。

2.2.4 巷道變形規(guī)律

不同煤柱寬度下的巷道變形規(guī)律如圖5 所示。

圖5 巷道變形規(guī)律Fig.5 Roadway deformation law

由圖5 可知，巷道兩幫的變形量隨著煤柱寬度的增加呈先減小后增大的趨勢。當(dāng)煤柱寬度為6 m時(shí)，巷道變形破壞最嚴(yán)重，其煤柱幫及實(shí)體煤幫的變形量分別為400 mm 及600 mm；當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí)，巷道煤柱幫及實(shí)體煤幫的變形量分別為220 mm 及190 mm；當(dāng)煤柱寬度為10 m 時(shí)，巷道煤柱幫及實(shí)體煤幫的變形量分別為500 mm 及200 mm；當(dāng)煤柱寬度為15 m 時(shí)，巷道煤柱幫及實(shí)體煤幫的變形量分別為590 mm 及270 mm。

2.2.5 煤柱寬度確定

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，6 m 寬度的煤柱整體破壞嚴(yán)重，不具備承載能力；煤柱寬度為10 m、15 m 時(shí)，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力均高于原巖應(yīng)力，且裂隙閉合區(qū)（彈性核區(qū)） 的范圍較大，承載能力較高，但應(yīng)力峰值位置距離巷道較近，巷道兩幫變形破壞程度較高，使得維護(hù)較困難；煤柱寬度為8 m時(shí)，煤柱內(nèi)存在彈性核區(qū)，整體較完整，具備一定的承載能力，且變形量相對(duì)較小。為盡可能的回收煤炭資源并保證巷道的穩(wěn)定性，結(jié)合煤層實(shí)際地質(zhì)條件，確定合理的煤柱寬度為8 m。

3 現(xiàn)場實(shí)踐

根據(jù)現(xiàn)場條件提出了81215 回風(fēng)巷小煤柱掘巷的支護(hù)方案，巷道支護(hù)斷面如圖6 所示。

圖6 巷道支護(hù)斷面圖Fig.6 Roadway support section diagram

頂板布置6 根高強(qiáng)錨桿，直徑為22 mm，長度2 400 mm，間排距為850 mm×1 000 mm；頂錨索采用直徑18.9 mm，長度6 300 mm 的鋼絞線，每排布置2 根，間排距為1 700 mm×1 000 mm，并用鋼筋梯子梁連接錨索；兩幫支護(hù)錨桿與頂板一致，間排距為800 mm×1 000 mm，每排布置5 根，并搭接鋼筋梯子梁。

對(duì)81215 回風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)的圍巖位移情況進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖7 所示。

圖7 巷道位移監(jiān)測曲線Fig.7 Roadway displacement monitoring curve

由圖7 可知，81215 回風(fēng)巷按照8 m 小煤柱掘進(jìn)期間，頂?shù)装宓睦塾?jì)移進(jìn)量為174 mm，兩幫累計(jì)移進(jìn)量為75 mm，圍巖整體變形量較小，且未出現(xiàn)采空區(qū)有害氣體溢出的現(xiàn)象，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

（1） 根據(jù)陽煤集團(tuán)二礦81215 綜放工作面的實(shí)際工程地質(zhì)條件，通過極限平衡理論計(jì)算得出合理的小煤柱寬度為6.57～7.68 m。

（2） 通過UDEC 數(shù)值模擬軟件分析了不同煤柱寬度下81215 回風(fēng)巷煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布、裂隙發(fā)育特征及巷道變形規(guī)律，確定出合理的小煤柱寬度為8 m。

（3） 現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果表明，8 m 寬度的小煤柱能夠有效承載覆巖壓力，掘進(jìn)期間81215 回風(fēng)巷的變形量較小，且未出現(xiàn)采空區(qū)有害氣體溢出的現(xiàn)象，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。