＊劉風(fēng)錄

（國能榆林能源有限責(zé)任公司 陜西 719000）

1.礦井概況

某礦五盤區(qū)開采二疊系統(tǒng)下山西組3#煤，煤層厚度0～5.52m，平均4.5m。夾矸一般為一層，位于煤層下部，結(jié)構(gòu)簡單，頂板主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖，次為粉砂巖；底板主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖。煤層結(jié)構(gòu)簡單。煤層傾角1°～5°，平均3°。

2.殘留煤柱開采技術(shù)研究

(1)開采方案選擇

五盤區(qū)5319、5320和5306工作面殘余煤柱集中范圍約長528m，寬200m。寬度滿足了布置綜采工作面的要求，設(shè)計沿空掘巷合理的煤柱寬度，可在此區(qū)域布置綜采小工作面開采。

(2)綜采小工作面開采理論分析

上區(qū)段工作面回采所留下的采空區(qū)，其頂板巖層狀態(tài)為一側(cè)懸露，另一側(cè)固定，當(dāng)老頂發(fā)生初次來壓時，頂板出現(xiàn)了破斷和垮落現(xiàn)象，覆巖發(fā)生觸矸現(xiàn)象，部分荷載轉(zhuǎn)移至采空區(qū)破碎矸石和窄煤柱。當(dāng)本區(qū)段工作面的推進(jìn)時，頂板同樣出現(xiàn)破斷和下沉，一部分覆巖荷載轉(zhuǎn)移到了前方實體煤上，讓應(yīng)力得到有效分散。回采過后的覆巖支承壓力分布如圖1所示。

圖1 回采后支承壓力分布

該礦新布置工作面回風(fēng)巷屬于典型沿空掘巷。沿空掘巷前，由于上區(qū)段工作面已經(jīng)進(jìn)行了回采，采空區(qū)側(cè)部分煤體己出現(xiàn)破碎情況，圍巖發(fā)育有較多的裂隙。如果將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，則有利于沿空掘巷的巷道圍巖的維護(hù)與穩(wěn)定。在本區(qū)段工作面回采期間，圍巖應(yīng)力重新分布，并逐漸向周圍煤巖體內(nèi)轉(zhuǎn)移。沿空巷道上覆巖層，在上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫捅緟^(qū)段工作面超前支承壓力的共同作用下，使得巷道所受荷載增加，變形量增大可達(dá)掘進(jìn)階段的5～6倍以上[1-4]。

(3)小工作面窄煤柱合理寬度確定

使用傳統(tǒng)極限平衡理論計算煤柱寬度，簡化后如圖2所示，既考慮提高錨桿錨固力和支護(hù)作用，又要確保煤柱盡可能小，在綜合影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素后，確定了合理煤柱寬度B的計算公式為[5]：

圖2 合理煤柱寬度計算模型

式中，X1為上區(qū)段工作面開采后在采空區(qū)側(cè)煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，其值按公式（2）計算。

式中：m為煤層厚度，m；A為側(cè)壓系數(shù)；φ0為煤層界面的內(nèi)摩擦角，（°）；C0為煤層界面的粘結(jié)力，MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層的平均容重，kN/m3；H為巷道埋深，m；Pz為支架對煤幫的支護(hù)阻力，在采空區(qū)側(cè)取值為0；X2為幫錨桿有效長度，結(jié)合錨桿支護(hù)參數(shù)確定；X3為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱寬度富裕量，一般按（X2+X3）值的30%～50%計算。

依據(jù)公式（1），求得本礦沿空掘巷窄煤柱寬度的理論值B=2.8+1+（2.8+1）×0.15×（0.35）=4.37m（5.13m），即至少為4.37m。

3.綜采小工作面方案效果模擬分析

根據(jù)該礦實際生產(chǎn)地質(zhì)條件與巷道布置位置關(guān)系，建立如圖3所示的沿空掘巷數(shù)值計算模型，模型尺寸長×寬×高為400m×180m×48m。模型上部邊界施加等同于上覆巖層重量的載荷，底邊界和左右邊界固定，煤巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 沿空掘巷數(shù)值計算模型

表1 頂?shù)装鍘r體力學(xué)特性

考慮到采空區(qū)透水問題，在一定安全系數(shù)的情況下，巷道圍巖應(yīng)力系數(shù)不宜超過2.5，同時需滿足巷道布置在側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)，基于理論計算結(jié)果制定不同煤柱寬度留設(shè)方案見表2，在保證合適支護(hù)條件和相同圍巖力學(xué)參數(shù)條件下，僅模擬煤柱穩(wěn)定性與巷道變形收窄煤柱寬度的影響。

表2 煤柱寬度選取方案

(1)掘進(jìn)期巷道應(yīng)力分布情況分析

巷道掘進(jìn)期間不同煤柱寬度下垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖4所示，應(yīng)力集中系數(shù)如表3所示。

圖4 掘進(jìn)期間不同寬度煤柱下巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖

表3 掘進(jìn)時期的應(yīng)力集中系數(shù)

4m、5m和6m煤柱最大支承壓力分別為17MPa、25MPa和30MPa，煤柱右側(cè)工作面支撐應(yīng)力峰值均為58MPa，可知煤柱支承壓力隨煤柱的寬度增加逐漸增大。而對于18m、19m和20m，在煤柱側(cè)所承受的支承壓力峰值均為60MPa，巷道右側(cè)工作面應(yīng)力峰值呈現(xiàn)的趨勢為隨煤柱尺寸增加逐漸減小趨于原巖應(yīng)力。

對塑性區(qū)進(jìn)行分析，如圖5掘進(jìn)時期不同煤柱塑性區(qū)分布圖。

圖5 掘進(jìn)期間不同煤柱塑性區(qū)分布圖

由圖5可知，留設(shè)4m、5m和6m煤柱時掘進(jìn)新巷，煤柱受壓明顯，巷道兩幫均出現(xiàn)明顯的張拉破壞，其中5m和6m的巷道變形嚴(yán)重，且剪切破壞影響范圍較大，而4m煤柱的巷道影響范圍較小，證明沿空掘巷的可行性。當(dāng)留設(shè)煤柱為18m、19m和20m，巷道兩幫破壞影響半徑較小，煤柱的塑性影響寬度也較窄，說明隨著煤柱尺寸的增大巷道破壞影響逐漸減小。

(2)回采期間巷道應(yīng)力分布情況分析

在綜采小工作面回采期間，如圖6所示為不同煤柱留設(shè)寬度下的垂直應(yīng)力分布情況，應(yīng)力集中系數(shù)如表4所示。

圖6 回采期間不同寬度煤柱下巷道圍巖垂直應(yīng)力云圖

表4 回采時期應(yīng)力集中系數(shù)

綜采小工作面回采時，支承壓力峰值區(qū)域為工作面前方8m位置，因此在巷道超前8m處布置應(yīng)力監(jiān)測點，得出4m、5m和6m煤柱下的最大支承壓力為21MPa、28MPa和30MPa，可見受回采時的超前支承應(yīng)力影響下煤柱所受支承載荷略有增加，在工作面?zhèn)鹊膽?yīng)力峰值均為92MPa，受回采時的超前應(yīng)力影響支承應(yīng)力增加約34MPa。當(dāng)留設(shè)寬度為18m、19m和20m時煤柱側(cè)的應(yīng)力峰值為60MPa，工作面?zhèn)葢?yīng)力峰值隨煤柱寬度的增加均逐漸減小。

對塑性區(qū)進(jìn)行分析，如圖7回采期間不同煤柱塑性區(qū)分布規(guī)律。

圖7 回采期間不同煤柱塑性區(qū)分布圖

由圖7可知，在回采期間，4m、5m和6m煤柱在工作面超前8m處，煤柱受壓明顯，巷道兩幫均出現(xiàn)強(qiáng)烈的張拉破壞，其中5m和6m的巷道變形嚴(yán)重，且剪切破壞影響范圍較大，而4m煤柱的巷道影響范圍較小，但較掘進(jìn)時期塑性影響范圍有所增加，對于18m、19m和20m方案，巷道兩幫破壞影響半徑較小，煤柱的塑性影響寬度也較窄，說明隨著煤柱尺寸的增大巷道破壞影響逐漸減小。

分析不同尺寸煤柱下巷道掘進(jìn)時期與回采時期的應(yīng)力集中系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：掘進(jìn)時期留設(shè)4m、5m和6m煤柱的巷道上覆圍巖最大應(yīng)力集中系數(shù)均約為2，在18m，19m和20m煤柱巷道上覆巖層的最大應(yīng)力集中系數(shù)均小于1.5，滿足掘進(jìn)安全需求?；夭蓵r期留設(shè)6m和18m的煤柱巷道上覆巖層最大應(yīng)力集中系數(shù)大于2.5，對巷道安全生產(chǎn)有較大的影響，不建議采用。而對于4m和5m雖煤柱圍巖的應(yīng)力集中系數(shù)較小，但考慮到采空區(qū)透水問題，也不建議采用。19m和20m煤柱圍巖避開了上區(qū)段采空區(qū)垮落形成的應(yīng)力峰值，圍巖應(yīng)力集中系數(shù)減小，且較寬的煤柱阻擋采空區(qū)透水，故留設(shè)19m以上的煤柱寬度皆可適用于生產(chǎn)。且煤柱尺寸為19m時，綜采小工作面下區(qū)段巷道超前7m處5306保護(hù)煤柱存在12m的彈性核區(qū)，確保了5306采空區(qū)積水不會影響到綜采小工作面的生產(chǎn)。最終確定以19m煤柱為沿空掘巷的煤柱留設(shè)方案，設(shè)計采煤面積77990m2，開采儲量50萬噸。

4.結(jié)論

本文以某礦5盤區(qū)5319、5320工作面回采完畢后殘余煤柱回收作為工程背景，采用理論分析和計算、數(shù)值模擬等相結(jié)合的研究方法，分析研究了在大面積殘余煤柱布置綜采小工作面回收煤柱的技術(shù)難點，主要有以下結(jié)論。

（1）通過理論分析、理論計算以及結(jié)合現(xiàn)場工程條件，確定了5盤區(qū)5319和5320工作面殘余煤柱回收使用布置綜采小工作面工藝，分析了采空區(qū)側(cè)的礦壓顯現(xiàn)特點，并且給出了沿空掘巷所需窄煤柱寬度的理論計算值。

（2）采用FLAC3D模擬軟件建立了5盤區(qū)工作面的回采模型，模擬了在5320工作面上下區(qū)段工作面回采后，進(jìn)行沿空掘巷過程中窄煤柱合理寬度的選擇。分析模擬方案表明，在窄煤柱寬度為19m時，既保證了圍巖應(yīng)力集中系數(shù)較小，又能阻擋上下區(qū)段采空區(qū)積水，滿足安全生產(chǎn)需求。