黨宏文 蘇保平 秦建壯

（1.神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 榆林 719000；2.棗莊礦業(yè)濟(jì)寧岱莊煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

二墩煤礦位于陜北榆林地區(qū)[1]，水庫(kù)、公路、建筑物下壓覆煤炭資源較多，老舊的房柱式開采造成大量的資源損失。為提高煤炭采出率，釋放壓覆煤體，煤礦急需對(duì)原有的開采方法進(jìn)行改革。

1 工程概況

3 號(hào)煤層為總體向西北西微傾的單斜構(gòu)造，傾角小于1°，厚8.43～8.85 m，可采厚度8.37～8.73 m，底板標(biāo)高1073～1094 m，由西北向東南遞增。埋深163～236 m，由西北向東南逐漸增大。3 號(hào)煤層直接頂板巖性為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，基本頂板巖性為延安組第四段細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖。3 號(hào)煤頂?shù)装逦锢砹W(xué)性質(zhì)見表1。

表1 3 號(hào)煤頂?shù)装逦锢砹W(xué)性質(zhì)

2 條帶充填開采覆巖移動(dòng)破壞理論分析

2.1 巖梁所受荷載的計(jì)算

將工作面窄條帶巷道的直接頂與護(hù)頂煤看作復(fù)合直接頂，并當(dāng)作第一層巖層[2]。

第n層對(duì)第一層綜合影響形成的載荷（qn）1計(jì)算如式（1）：

式中：E1、E2…En為頂板各巖層的彈性模量，MPa；h1、h2…h(huán)n為頂板各巖層的厚度，m；r1、r2…rn為頂板各巖層的容重，kg/m3。

當(dāng)計(jì)算到（qn+1）1＜（qn）1時(shí)，n層作用于復(fù)合直接頂巖層上的載荷q即采用（qn）1計(jì)算。

將3 號(hào)煤層所留設(shè)的頂煤（厚度為1.53 m）與碳質(zhì)泥巖構(gòu)成的復(fù)合直接頂作為一個(gè)整體的巖梁進(jìn)行載荷計(jì)算，第一層巖厚度為：h1=1.53+1.36=2.89 m。

取復(fù)合直接頂?shù)钠骄葜貫?858 kg/m3，平均彈模為1.05×104MPa，則第一層巖層本身的載荷q1為：

依次計(jì)算，直到（q6）1=87.54 kPa，（q7）1=84.18 kPa，（q7）1<（q6）1。

所以第6 層巖層（層狀泥巖）將與其上部的頂板發(fā)生離層，第一層巖層（復(fù)合直接頂）承受其上六層巖層的載荷，所受載荷大小為87.54 kPa，此時(shí)巖梁上的載荷值可取為q=0.087 54 MPa。

2.2 條帶采寬確定

條帶采寬確定時(shí)，確保復(fù)合直接頂巖梁不因跨度中央的最大拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度而破壞的極限跨距為：

式中：t是梁的厚度，m；Rt為直接頂?shù)目估瓘?qiáng)度，MPa；q為直接頂所受均布載荷，MPa。

查閱有關(guān)地質(zhì)材料可以得知，此直接頂?shù)钠骄穸燃s為2.89 m，即t=2.89 m，抗拉強(qiáng)度Rt約為0.6 MPa，所受均布載荷q約為 0.087 54 MPa，代入公式（3）中，可以得到二墩煤礦采空條帶上方直接頂?shù)臉O限跨距L=8.74 m。

2.3 條帶煤柱寬度確定

根據(jù)極限強(qiáng)度理論，煤柱的安全系數(shù)可由下式計(jì)算：

式中：F為煤柱安全系數(shù)；σp為煤柱的強(qiáng)度，MPa；σs為煤柱所承受的實(shí)際荷載，MPa。

如果F＞1.5，則認(rèn)為煤柱具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。按照wilson 方法，按地表不產(chǎn)生波浪形下沉盆地原則，對(duì)于一般的地質(zhì)采礦條件下的條帶煤柱穩(wěn)定設(shè)計(jì)，可根據(jù)煤柱載荷和煤柱強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式，令其安全系數(shù)為F，得到條帶采寬a、條帶煤柱寬度b、條帶煤柱的安全系數(shù)F、煤柱高度M、埋深H之間的條帶法煤柱寬度方程[3]：

式中：a為條帶寬度，m；b為條帶煤柱寬度，m；M為煤柱高度，m；H為煤層埋深，m；F為煤柱安全系數(shù)。

若條帶煤柱保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，應(yīng)保證F≥1.5，取F=1.5。針對(duì)二墩煤礦3 號(hào)煤層賦存情況（埋深163～236 m，平均埋深180 m），按條帶煤柱可以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定作為充填開采的條帶參數(shù)初始選取依據(jù)，取條帶采寬a=8 m，F(xiàn)=1.5，H=180 m，M=7.5 m，得出條帶煤柱寬度b的實(shí)際取值如下：

3 數(shù)值模擬分析

3.1 開采方案的確定

二墩煤礦在條帶開采“采8 留16”參數(shù)基礎(chǔ)上，采用條帶煤柱寬度三倍于條帶采寬設(shè)計(jì)，即采用“采8 留24”的充填開采參數(shù)，后期置換條帶煤柱時(shí)以條帶采寬為基礎(chǔ)分三次置換，假定置換最后一個(gè)條帶采寬的條帶煤柱后的覆巖載荷由充填體完全承擔(dān)，則此時(shí)充填體強(qiáng)度為：

式中：σ為煤柱所承受的平均荷載，MPa ；γ為上覆巖層平均巖重，MN/m3；H為開采深度，m；a為條帶采寬，m；b為條帶煤柱寬度，m；K為安全系數(shù)。

按照“采8 留24”的充填開采參數(shù)計(jì)算，取K=1.1，H=180 m，γ=0.023 MN/m3，帶入上式計(jì)算可得σ=6.07 MPa。

3.2 模擬方案

“采8 留24”的充填開采方案，充填體強(qiáng)度為6 MPa，分析開采與充填過程中塑性區(qū)的變化情況和充填體的受力情況。

3.3 數(shù)值模型建立

數(shù)值分析取模型整體尺寸為長(zhǎng)×寬×高=388 m×158 m×170 m，四周預(yù)留邊界各 30 m，模擬條帶工作面長(zhǎng)320 m，走向推進(jìn)距離為98 m。模擬各巖層累計(jì)厚度為170 m。模型開挖前進(jìn)行了自平衡處理。如圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

（1）采充過程中條帶煤柱與充填體塑性區(qū)分析

由圖2 可知，前兩個(gè)階段開采結(jié)束后，開采條帶煤柱兩側(cè)端部開始出現(xiàn)零星塑性區(qū)，充填結(jié)束后覆巖載荷主要由條帶煤柱承擔(dān)，第二階段充填體由于還沒有承擔(dān)覆巖荷載，所以未產(chǎn)生塑性破壞。

圖2 第二階段充填后

煤柱剪切塑性區(qū)范圍沿條帶煤柱長(zhǎng)度方向最長(zhǎng)約90 m，分布在中間條帶煤柱區(qū)域，最短為50 m，分布在兩側(cè)條帶煤柱。整個(gè)破壞區(qū)域呈“橢圓形”分布。塑性區(qū)主要出現(xiàn)在條帶煤柱煤壁處，破壞深度為2 m，第二階段充填結(jié)束后煤柱塑性區(qū)變化，該階段煤柱-充填體整體穩(wěn)定，未產(chǎn)生大面積塑性破壞，可以有效承載上覆巖層。

由圖3 可知，四階段煤柱全部開采后，上覆巖層主要由第一、二、三階段充填體承載。第一階段充填體邊緣產(chǎn)生豎條狀塑性破壞，破壞深度2 m；前三階段充填體距巷道自由端產(chǎn)生2～4 m 塑性破壞，但破壞趨勢(shì)沒有向內(nèi)發(fā)展；三個(gè)階段的充填體整體穩(wěn)定性良好。

圖3 第四階段充填后

（2）采充過程中條帶煤柱與充填體應(yīng)力分析

由圖4 ～圖6 分析可知，在整個(gè)采充過程中，圍巖和充填體應(yīng)力呈現(xiàn)出緩慢增大后趨于穩(wěn)定，覆巖承載實(shí)現(xiàn)了由條帶煤柱向充填體的均勻過渡。四個(gè)階段開采過程中，條帶充填體和周邊煤體均不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)危險(xiǎn)。

圖4 第一階段開采結(jié)束后煤柱應(yīng)力

圖5 第三階段開采結(jié)束后煤柱及充填體應(yīng)力

圖6 第四階段充填結(jié)束后煤柱及充填體應(yīng)力

在整個(gè)采充過程，圍巖應(yīng)力峰值為5.8 MPa，小于圍巖極限承載強(qiáng)度，可以保證覆巖的良好穩(wěn)定性。在第三階段充填結(jié)束后，區(qū)段煤柱的應(yīng)力達(dá)到最大為7.5 MPa。第四階段結(jié)束后，前三輪充填體平均應(yīng)力達(dá)到5.0 MPa。

4 結(jié)論

（1）將工作面窄條帶巷道的直接頂與護(hù)頂煤看作復(fù)合直接頂，對(duì)窄條帶膏體充填開采過程中的條帶頂板移動(dòng)與條帶頂板穩(wěn)定性進(jìn)行理論研究與分析計(jì)算，計(jì)算得出二墩煤礦巖梁上的載荷值為q=0.087 MPa，直接頂?shù)臉O限跨距8.74 m；通過對(duì)煤柱的荷載計(jì)算，得出煤柱寬度最小為15.6 m。

（2）在整個(gè)采充過程中，塑性區(qū)逐漸從煤柱端頭零星破壞發(fā)展到煤柱內(nèi)部條形破壞，破壞深度端頭由2 m 逐漸發(fā)展到4 m。四個(gè)階段結(jié)束之后，第一個(gè)條帶破壞深度達(dá)到2 m，但破壞趨勢(shì)沒有向內(nèi)發(fā)展，其余三個(gè)階段的充填體整體穩(wěn)定性良好。

（3）通過對(duì)充填過程中煤柱與充填體應(yīng)力值的變化特征分析可知，覆巖載荷正在由煤柱向充填體轉(zhuǎn)移。在第三階段充填結(jié)束后，區(qū)段煤柱的應(yīng)力最大7.5 MPa，第四階段結(jié)束后，前三輪充填體平均應(yīng)力5.0 MPa。