張鵬鵬

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

大平煤業(yè)為高瓦斯礦井，為了瓦斯抽采方便，在3115 工作面和3117 工作面區(qū)段煤柱下方布置底抽巷對(duì)兩個(gè)工作面瓦斯進(jìn)行抽采。 在大平煤業(yè)埋深較大、頂板硬度適中的地質(zhì)條件下，巷道圍巖穩(wěn)定性、 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等具有顯著的特殊性。 而目前在放頂煤工作面區(qū)段煤柱留設(shè)、覆巖結(jié)構(gòu)特征及巷道支護(hù)理論還不夠完善，工程應(yīng)用上更多的依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)判斷，尤其是區(qū)段煤柱下方布置底抽巷后對(duì)區(qū)段煤柱圍巖穩(wěn)定性的影響也未有相關(guān)研究[1-3]。 因此，針對(duì)大平煤業(yè)具體地質(zhì)條件，在布置底抽巷后，確定合理的區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸及底抽巷支護(hù)技術(shù)參數(shù)是大坪煤業(yè)急需解決的問(wèn)題[4-5]。

1 工程背景

大坪煤業(yè)主采3#煤層，3#煤層厚度為5.09～7.20 m，平均厚度為6.19 m，屬穩(wěn)定可采的厚煤層，直接頂板為薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，厚度為1.77 m，老頂為細(xì)粒砂巖，厚度為10.25 m。頂板泥巖為較軟巖，粉砂巖、細(xì)砂巖為較硬巖，圍巖類(lèi)別屬中等穩(wěn)定巖層。 礦井在開(kāi)采過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)明顯的軟弱層，穩(wěn)定性相對(duì)較好。

大平煤業(yè)現(xiàn)開(kāi)采的3#煤層工作面間留設(shè)煤柱寬度為20 m，瓦斯底抽巷要服務(wù)于3115 工作面、3117 工作面（巷道位置關(guān)系布置如圖1 所示）。 為保證兩個(gè)工作面的順利開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效目標(biāo)，以大平煤業(yè)3# 煤層綜放開(kāi)采煤柱留設(shè)及支護(hù)技術(shù)研究為課題，對(duì)3115 工作面與3117 工作面之間的煤柱的穩(wěn)定性、 煤柱留設(shè)寬度和底抽巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1 巷道位置關(guān)系布置平面

2 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性分析及理論寬度計(jì)算

根據(jù)區(qū)段煤柱應(yīng)力分布可得知，區(qū)段煤柱的寬度L主要取決于煤柱兩側(cè)塑性區(qū)寬度L0（m）和中部彈性區(qū)臨界寬度Lt（m），故煤柱的留設(shè)寬度應(yīng)為：

在巷道賦存深度一定，不考慮支護(hù)影響且不計(jì)入煤體殘余部分的條件下，區(qū)段煤柱的塑性區(qū)寬度范圍L0可統(tǒng)一表示為：

式中：L1為煤柱下側(cè)的塑性區(qū)范圍，m；L2為煤柱上側(cè)的塑性區(qū)范圍，m。

如圖2 所示，對(duì)于中等穩(wěn)定性圍巖，在不考慮ABC、DEF、FGI三部分殘余煤體側(cè)向限制影響的條件下，煤柱上下兩側(cè)塑性區(qū)寬度均可采用下式計(jì)算：

圖2 區(qū)段煤柱寬度計(jì)算

此時(shí)，將公式（3）代入公式（2）中，同樣得到中等穩(wěn)定性圍巖條件下區(qū)段煤柱的塑性區(qū)寬度為：

式（3）、（4） 中：M為煤層厚度，m；α為煤體的破斷角，°；φ為內(nèi)摩擦角，°。

大坪煤業(yè)3#煤層屬于中等穩(wěn)定性巖層，將相關(guān)計(jì)算參數(shù)代入上述公式，通過(guò)計(jì)算可求得煤柱留設(shè)寬度最小值為18.15 m，因此在大平煤業(yè)現(xiàn)工作面間留設(shè)的20 m區(qū)段煤柱寬度可滿(mǎn)足正常的使用要求。 煤柱下方布置底抽巷對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響需通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行相應(yīng)分析，以得出最合理的煤柱寬度。

3 不同區(qū)段煤柱寬度的數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

以大平煤業(yè)底抽巷工程地質(zhì)條件及井下位置建立數(shù)值計(jì)算模型，底抽巷位于3115 工作面運(yùn)輸順槽和3117 工作面回風(fēng)順槽間區(qū)段煤柱正下方15 m位置。模型中以工作面傾向?yàn)閄軸，3115 工作面和3117 工作面各取200 m；以工作面推進(jìn)方向?yàn)閅軸，沿推進(jìn)方向取200 m；豎直方向?yàn)閆軸，3#煤層頂板向上取67 m，向下取52 m，故整個(gè)模型尺寸為：625 m×200 m×119 m。 其中，3115 工作面和3117 工作面采空區(qū)通過(guò)充填彈性材料來(lái)模擬其上方頂板已垮落的矸石。 同時(shí)，為了防止邊界對(duì)模型產(chǎn)生影響，模型左右兩側(cè)邊界各留100 m的實(shí)體煤以模擬原巖應(yīng)力區(qū)。 除頂部外，模型底部及X、Y軸方向均固定位移邊界，在模型頂部邊界上施加均布載荷以模擬模型上覆巖層的重量，3#煤最大埋深按500 m 計(jì)，則在模型頂部施加12.5 MPa垂直應(yīng)力。 由于3#煤埋藏較深，需考慮煤巖體側(cè)壓的影響，本次模擬考慮側(cè)壓為1.2。 模型共有202 908 個(gè)單元，227 230 個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，數(shù)值計(jì)算模型如圖3 所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算幾何模型

3.2 兩側(cè)工作面回采時(shí)區(qū)段煤柱數(shù)值模擬分析

（1）基于塑性區(qū)范圍大小的區(qū)段煤柱合理寬度分析

兩側(cè)工作面（3115 和3117 綜放工作面）回采時(shí)，不同區(qū)段煤柱寬度模型塑性區(qū)的分布特征如圖4 所示，通過(guò)對(duì)比分析可知，3115 和3117 綜放工作面回采后，區(qū)段煤柱兩側(cè)靠近采空區(qū)方向塑性變形區(qū)域明顯擴(kuò)大，尤其是兩側(cè)工作面頂?shù)装甯浇苄詤^(qū)出現(xiàn)了明顯的連通現(xiàn)象，塑性區(qū)主要以剪切破壞為主。 不同之處在于，當(dāng)區(qū)段煤柱寬度為15 m時(shí)，整個(gè)區(qū)段煤柱內(nèi)部都發(fā)生了塑性變形，此時(shí)煤柱的穩(wěn)定性大大降低，已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)較大的變形、坍塌、失穩(wěn)狀態(tài)，兩側(cè)工作面采空區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)閉合、貫通現(xiàn)象，這必然會(huì)導(dǎo)致上覆巖層再次發(fā)生大的位移，甚至地表沉陷。 同時(shí)受工作面回采動(dòng)壓影響，兩側(cè)工作面底板下方4～5 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，隨著區(qū)段煤柱的失穩(wěn)，煤柱底板下方3～4 m 范圍巖層也出現(xiàn)塑性變形。當(dāng)區(qū)段煤柱寬度增加到20 m 時(shí)，整個(gè)煤柱在兩側(cè)工作面回采動(dòng)壓影響下，塑性區(qū)也相對(duì)較發(fā)育，然而在煤柱的中部仍有約2～4 m 左右的彈性核存在，煤柱還是有一定的承載能力的，區(qū)段煤柱在經(jīng)過(guò)錨索鋼帶補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后仍保持一定的完整性。 同時(shí)在回采動(dòng)壓影響下，兩側(cè)工作面底板下方4～5 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，而煤柱下方僅在靠近兩側(cè)工作面采空區(qū)側(cè)下方3～4 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，煤柱中部下方底板巖層并未出現(xiàn)塑性變形。 當(dāng)區(qū)段煤柱寬度增加到25 m 時(shí)，在區(qū)段煤柱中部的彈性區(qū)域繼續(xù)增加，彈性核區(qū)域增加到6～8 m 左右，使區(qū)段煤柱能夠在采空區(qū)保持一定程度的穩(wěn)定狀態(tài)，與此同時(shí)在兩側(cè)工作面回采動(dòng)壓影響下僅工作面底板下方4～5 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，對(duì)于煤柱下方而言?xún)H靠近兩側(cè)工作面處底板下方3～4 m 范圍巖層也出現(xiàn)塑性變形，煤柱中部下方底板巖層并未出現(xiàn)塑性變形。 此后隨著煤柱寬度的增加，煤柱中部的彈性核區(qū)域不斷增加，穩(wěn)定性也更好，煤柱中部下方底板巖層并未出現(xiàn)塑性變形。 對(duì)于底抽巷而言，僅僅在掘巷后其淺部1 m范圍內(nèi)圍巖有塑性變形出現(xiàn)。 綜上所述，對(duì)于不同寬度區(qū)段煤柱而言，工作面回采導(dǎo)致的煤柱周邊的塑性區(qū)和底抽巷掘進(jìn)后巷道周邊的塑性區(qū)并不會(huì)貫通，表明在不同煤柱寬度下，底抽巷和區(qū)段煤柱之間的巖層完整性較好，有利于底抽巷的維護(hù)。

由上圖4(c)～(f)可知，當(dāng)煤柱寬度從25 m繼續(xù)增加到40 m 時(shí)，煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)寬度基本沒(méi)有變化，只是煤柱中央的彈性區(qū)寬度增加而已。與煤柱寬度為25 m 時(shí)相比，只是彈性區(qū)寬度增加。 煤柱寬度的增加，不再影響煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)寬度，煤柱尺寸加大僅是增加煤柱的彈性區(qū)寬度而已，對(duì)煤柱的穩(wěn)定性沒(méi)有影響。 雖然此時(shí)煤柱更有利于巷道的穩(wěn)，但卻增加了煤炭資源的損失。

圖4 不同區(qū)段煤柱寬度塑性區(qū)分布特征

（2）基于應(yīng)力分布的區(qū)段煤柱合理寬度分析

煤柱兩側(cè)工作面（3115 和3117 綜放工作面）回采時(shí)，不同區(qū)段煤柱寬度模型垂直應(yīng)力的分布特征如圖5 所示。 區(qū)段煤柱受到兩側(cè)采空區(qū)頂部覆巖載荷的影響，在區(qū)段煤柱中部產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且這種應(yīng)力集中現(xiàn)象有向區(qū)段煤柱底部延伸的趨勢(shì)，周?chē)鷩鷰r應(yīng)力降低主要是由于煤巖體受到上覆載荷影響，裂隙發(fā)育、 擴(kuò)展貫通，應(yīng)力得到有效釋放，此范圍內(nèi)煤巖體強(qiáng)度顯著降低，區(qū)段煤柱大于20 m 時(shí)，仍能夠保持一定的穩(wěn)定性，小于15 m 時(shí)，區(qū)段煤柱失穩(wěn)，采空區(qū)裂隙貫通。

圖5 不同區(qū)段煤柱寬度垂直應(yīng)力分布特征

通過(guò)對(duì)比分析可知，區(qū)段煤柱寬度在15 m時(shí)，區(qū)段煤柱中心位置出現(xiàn)局部應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力分布呈現(xiàn)明顯的“中部高、兩側(cè)低”的單峰型應(yīng)力狀態(tài)，煤柱中部應(yīng)力最高為42 MPa，而其周?chē)鷳?yīng)力明顯降低，應(yīng)力主要在20 MPa左右，此時(shí)底抽巷正好位于應(yīng)力最高區(qū)域的下方，不利于護(hù)巷。 區(qū)段煤柱寬度增加到20 m 時(shí)，區(qū)段煤柱中部仍然為疊加的高應(yīng)力區(qū)，在煤柱邊緣呈現(xiàn)出應(yīng)力降低現(xiàn)象。 當(dāng)煤柱寬度繼續(xù)增加到25 m 時(shí)，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)出由“單峰”向“馬鞍形”的轉(zhuǎn)變，煤柱內(nèi)部開(kāi)始呈現(xiàn)“兩頭大、中間小”的應(yīng)力分布狀態(tài)，中部的應(yīng)力峰值減小到30 MPa左右。 隨著區(qū)段煤柱寬度繼續(xù)增加到40 m時(shí)，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)仍呈現(xiàn)“馬鞍形”，煤柱中部的應(yīng)力值減小到20 MPa。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：區(qū)段煤柱分別受左、右側(cè)工作面回采影響時(shí)，對(duì)15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m 煤柱的垂直應(yīng)力分布及彈塑性變形區(qū)寬度，從塑性區(qū)發(fā)育角度來(lái)說(shuō)，煤柱寬度為25～40 m時(shí)，煤柱內(nèi)部彈性核區(qū)域較大，能滿(mǎn)足煤柱穩(wěn)定的要求。 對(duì)于不同寬度區(qū)段煤柱而言，在回采動(dòng)壓影響下，兩側(cè)工作面底板下方4～5 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，而煤柱下方僅在靠近兩側(cè)工作面采空區(qū)側(cè)下方3～4 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，煤柱中部下方底板巖層并未出現(xiàn)塑性變形。 對(duì)于底抽巷而言，僅僅在掘巷后其淺部1 m 范圍內(nèi)圍巖有塑性變形出現(xiàn)；工作面回采導(dǎo)致的煤柱周邊的塑性區(qū)和底抽巷掘進(jìn)后巷道周邊的塑性區(qū)并不會(huì)貫通，底抽巷和區(qū)段煤柱之間的巖層完整性較好。 從應(yīng)力角度來(lái)說(shuō)，寬煤柱內(nèi)部應(yīng)力均為中部小、兩側(cè)大的“馬鞍形”分布狀態(tài)，很適合于下部進(jìn)行底抽巷的布置，底抽巷所處的應(yīng)力環(huán)境相對(duì)較好。30 m以上煤柱寬度雖能滿(mǎn)足煤柱穩(wěn)的要求，且有利于巷道的維護(hù)，但煤炭資源損失量大，故確定煤柱留設(shè)寬度為25 m。

4 瓦斯底抽巷支護(hù)方案確定

瓦斯底抽巷全長(zhǎng)1 760 m，采用矩形斷面，寬4.7 m×高3.3 m，斷面積為15.51 m2，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，破碎地段采用錨索補(bǔ)強(qiáng)，具體如下：

1）頂板支護(hù)

頂板選用直徑22 mm、 長(zhǎng)度2 500 mm 的高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，每排5 根頂錨桿，間距1 000 mm，排距900 mm，設(shè)計(jì)錨固力120 kN，錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m。錨索選用直徑21.6 m、長(zhǎng)度5 000 mm 的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，每排布置2 根，錨索垂直頂板布置，間距1 800 mm，排距1 800 mm。

2）巷幫支護(hù)

巷幫選用直徑22 mm、 長(zhǎng)度2 000 mm 的高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，每排兩幫各4 根錨桿，間距900 mm，排距900 mm。

瓦斯底抽巷支護(hù)如圖6 所示。

圖6 瓦斯底抽巷支護(hù)

3115 工作面和3117 工作面間煤柱寬度最終確定為25 m，瓦斯底抽巷服務(wù)于上述兩個(gè)工作面的瓦斯抽采。 工作面回采過(guò)程中對(duì)瓦斯底抽巷圍巖位移進(jìn)行了觀測(cè)，最終頂板下沉量116.8 mm、 底臌量63.5 mm、 左幫位移量98.3 mm、 右?guī)臀灰屏?3.3 mm，總體來(lái)說(shuō)圍巖變形量較小，基于底抽巷現(xiàn)有的錨桿（索）支護(hù)方式，可保持巷道圍巖的穩(wěn)定，能很好地滿(mǎn)足兩個(gè)工作面瓦斯抽采和安全使用的需要。

5 結(jié)論

當(dāng)3115 工作面和3117 工作面間區(qū)段煤柱寬度為25 m 時(shí)，底抽巷所處的應(yīng)力環(huán)境相對(duì)較好，在兩側(cè)工作面回采動(dòng)壓影響下，頂板下沉量116.8 mm、底臌量63.5 mm、左幫位移量98.3 mm、右?guī)臀灰屏?3.3 mm，總體來(lái)說(shuō)圍巖變形量較小，基于底抽巷現(xiàn)有的錨桿（索）支護(hù)方式，可保持巷道圍巖的穩(wěn)定，能很好地滿(mǎn)足兩個(gè)工作面瓦斯治理和安全使用的需要。