蘇岳嶸

(山西朔州平魯區(qū) 蘭花永勝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036900)

隨著國家經(jīng)濟(jì)技術(shù)對煤炭需求的日益增長，煤炭開采逐漸轉(zhuǎn)入深井開采階段，且深度推進(jìn)速度逐漸加快，深部開采逐漸成為趨勢[1-2]。深部開采條件下，高應(yīng)力疊加巷道采掘應(yīng)力，極易引起巷道圍巖變形破壞，造成巷道變形失穩(wěn)，針對上述問題，礦井采用留設(shè)大煤柱方式進(jìn)行巷道維護(hù)，這樣不僅造成資源浪費(fèi)，易形成孤島煤柱，還為下層煤層開采造成困難[3-5]。沿空掘巷作為無煤柱開采的一種形式，分為完全沿空掘巷和留窄煤柱沿空掘巷，兩種方式在改善巷道應(yīng)力的同時(shí)，有效降低了煤炭資源的浪費(fèi)，提高了煤炭回收率[6-7]。

國內(nèi)外學(xué)者針對沿空掘巷煤柱進(jìn)行了廣泛研究。呂情緒等[8]利用數(shù)值模擬基于水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和位移的演化規(guī)律分析不同測壓系數(shù)下的復(fù)合頂板煤層巷道圍巖變形特征，確定應(yīng)力作用范圍，并進(jìn)行不同寬度煤柱下的應(yīng)力分布特征和位移變形規(guī)律分析，確定合理的煤柱留設(shè)寬度；許博等[9]基于礦井原煤柱留設(shè)尺寸較大，通過分析巷道覆巖力學(xué)環(huán)境進(jìn)行煤柱分析；基于極限平衡理論確定合理煤柱寬度，并利用數(shù)值模擬進(jìn)行煤柱水平位移、垂直應(yīng)力分布及回采巷道變形分析確定煤柱合理尺寸；潘博等[10]對煤柱留設(shè)尺寸的影響因素進(jìn)行分析，基于數(shù)值模擬進(jìn)行不同寬度煤柱的應(yīng)力云圖、位移云圖和塑性區(qū)的對比，確定最佳煤柱留設(shè)尺寸。李俊星[11]針對礦井孤島工作面回采期間巷道變形大等情況，提出沿空掘巷留設(shè)窄煤柱配合水力預(yù)裂技術(shù)方案，利用數(shù)值模擬通過分析煤柱垂直應(yīng)力分布、圍巖變形和圍巖塑性區(qū)分布情況進(jìn)行煤柱合理尺寸確定；和樹棟[12]基于數(shù)值模擬方式進(jìn)行圍巖垂直應(yīng)力分布和圍巖塑性區(qū)分布分析確定煤柱留設(shè)合理尺寸，并利用極限平衡法進(jìn)行理論驗(yàn)證；王統(tǒng)海等[13]以深埋巷道為工程背景，通過建立煤柱力學(xué)模型分析沿空掘巷煤柱留設(shè)影響因素，并進(jìn)行巷道圍巖應(yīng)力、圍巖位移和塑性區(qū)演化等因素的數(shù)值模擬，確定合理煤柱尺寸。

上述研究極大豐富了沿空掘巷煤柱留設(shè)的研究內(nèi)容，但研究領(lǐng)域多集中于利用數(shù)值模擬確定煤柱尺寸，理論分析多以極限平衡法進(jìn)行分析，然而當(dāng)煤層傾角較大時(shí)，極限平衡區(qū)理論準(zhǔn)確度不足。本文以某礦25301工作面回風(fēng)巷為工程背景，通過建立傾角煤柱力學(xué)模型進(jìn)行煤柱尺寸留設(shè)研究，并利用數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，確定合理煤柱寬度，為礦井安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某礦25301工作面位于3號煤層，煤層厚度在1.4 ～4.0 m之間變化，平均煤厚3 m，煤層傾角平均18°，平均埋深622.7 m，煤層走向長732.2～732.4 m，平均732.3 m，傾斜長平均189.8 m.礦井最大主應(yīng)力作用方位為北西西-南東東，在礦井垂深608～657 m范圍內(nèi)，最大主應(yīng)力31.8～34.3 MPa，其中最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值范圍為1.93～2.37.

工作面含部分偽頂，偽頂厚度0.2 m，為灰黑色，直接頂為黑色碳質(zhì)泥巖，厚度2.38 m，基本頂為深灰色粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，厚度5.05 m，直接底為深灰色粉砂巖，厚度2.8 m，直接底為灰色粉砂巖，層面附黃鐵礦，具有明顯的水平或微波狀層理。工作面頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1所示。

圖1 煤巖層綜合柱狀圖

2 覆巖頂板破斷結(jié)構(gòu)特征

隨著工作面不斷推進(jìn)，基本頂覆巖壓力及自重超過自身破斷強(qiáng)度，發(fā)生破斷，當(dāng)工作面持續(xù)推進(jìn)時(shí)，基本頂呈現(xiàn)周期性破斷，呈現(xiàn)“O-X”破斷特征，如圖2所示，分別破斷成關(guān)鍵塊A、關(guān)鍵塊B和關(guān)鍵塊C，其中關(guān)鍵塊A位于工作面煤壁上方，關(guān)鍵塊B以斷裂線為基準(zhǔn)向采空區(qū)回轉(zhuǎn)或滑落變形，位于沿空巷道上方[14]，關(guān)鍵塊C位于采空區(qū)矸石上方壓縮下沉，其中關(guān)鍵塊B的變形狀態(tài)對巷道穩(wěn)定有重要影響，為巷道礦壓環(huán)境大結(jié)構(gòu)，在上覆大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，在下方煤層中進(jìn)行沿空巷道的掘進(jìn)，并進(jìn)行圍巖支護(hù)，相對于覆巖大結(jié)構(gòu)，巷道圍巖內(nèi)形成的錨固結(jié)構(gòu)稱為小結(jié)構(gòu)。

圖2 覆巖破斷結(jié)構(gòu)特征示意

3 傾斜煤柱支承壓力分析

為便于分析支承壓力峰值距離巷幫位置，即極限平衡區(qū)的范圍，建立如圖3所示的力學(xué)模型和坐標(biāo)系統(tǒng)[15-16]。

圖3 煤柱力學(xué)模型

基于圖3所示力學(xué)模型，根據(jù)彈性力學(xué)平面應(yīng)變平衡方程及巖石力學(xué)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度表達(dá)式可得極限平衡區(qū)范圍方程：

(1)

煤柱極限強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上指煤柱長期受到垂直荷載的作用下峰值應(yīng)力點(diǎn)所能達(dá)到的極限應(yīng)力，因此它與其自身的單軸抗壓強(qiáng)度和水平方向的約束力有關(guān)，因此煤柱極限強(qiáng)度方程可表示為：

σy1=δησc=2.729(ησc)0.729

(2)

聯(lián)立式(1)和 式(2)可得煤柱極限破壞深度：

(3)

式中：m為工作面采高，m；α為煤層傾角，°；A為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/(1-μ)；μ為泊松比；γ0為煤體平均體積力，MPa；σc為煤巖體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；η為煤巖流變系數(shù)；Px為上區(qū)段工作面巷道煤幫的支護(hù)阻力，MPa.

基于礦井實(shí)際情況，取m=3.0 m，α=18°，C0=3.0 MPa，A=0.5，Px=0.4 MPa，φ0=32°，γ=0.25 MN/m3，η=0.45，σc=13 MPa，計(jì)算得煤柱極限為2.75 m.

因此合理留設(shè)煤柱尺寸為：

B=x1+x2+x3

(4)

式中：x1為極限破壞范圍；x2為巷幫側(cè)錨桿有效長度；x3為安全有效寬度，一般為x1+x2之和的10%～20%.

結(jié)合前述內(nèi)容可知：x1=2.75 m，x2=1.8 m，則x3=0.15×(2.75+1.8)≈0.68 m，則煤柱留設(shè)尺寸B=5.23 m.

為進(jìn)一步確定方案效果，文章基于數(shù)值模擬進(jìn)行垂直應(yīng)力和塑性區(qū)分布驗(yàn)證，分別選取3 m、4 m、5 m、6 m和7 m煤柱進(jìn)行試驗(yàn)，通過模型應(yīng)力提取，獲得如圖4所示不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布圖。

分析圖4可知，當(dāng)煤柱寬度由3 m變化到5 m時(shí)，煤柱應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.44、1.51和1.54，當(dāng)煤柱寬度由6 m變化到8 m時(shí)，煤柱應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.79、1.81和1.85，在4～5 m煤柱范圍內(nèi)巷道峰值應(yīng)力變化較小，說明5 m煤柱為煤柱峰值應(yīng)力拐點(diǎn)。

圖4 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布云圖

為進(jìn)一步確定煤柱彈塑性狀態(tài)，通過模型提取獲得如圖5所示不同煤柱塑性區(qū)分布圖。

圖5 不同寬度煤柱塑性區(qū)分布

當(dāng)煤柱為3 m時(shí)，煤柱內(nèi)部基本破壞完全，由于煤層傾角作用明顯，煤柱內(nèi)部及巷道臨近煤柱側(cè)基本呈現(xiàn)剪切破壞；當(dāng)煤柱為4 m時(shí)，煤柱內(nèi)部完整區(qū)域擴(kuò)大，但中部仍有部分煤柱發(fā)生塑性破壞，使得支承能力降低；當(dāng)煤柱為5 m時(shí)，煤柱內(nèi)部完整區(qū)域已經(jīng)從中部向巷道側(cè)延伸，承載能力進(jìn)一步提高，煤柱穩(wěn)定相增強(qiáng)；當(dāng)煤柱寬度大于5 m時(shí)，煤柱完整區(qū)域隨煤柱寬度增大而增加，破壞區(qū)域主要集中在巷道四角位置，近似呈X形分布。

基于前述內(nèi)容分析確定5 m煤柱為沿空掘巷最佳煤柱尺寸。

4 結(jié) 語

本文以某礦2021工作面回風(fēng)巷為工程背景，針對深部傾斜中厚煤層等特點(diǎn)，進(jìn)行沿空掘巷煤柱尺寸留設(shè)研究，通過建立模型分析，確定如下結(jié)論：

1) 對沿空巷道覆巖關(guān)鍵塊力學(xué)大結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定關(guān)鍵塊B的回轉(zhuǎn)變形和滑落失穩(wěn)是影響巷道穩(wěn)定性的主要原因。

2) 基于彈性力學(xué)建立傾斜煤層沿空掘巷煤柱支承壓力模型，并對確定合理煤柱尺寸為5.23 m.

3) 通過數(shù)值模擬建立并分析不同寬度煤柱尺寸的垂直應(yīng)力峰值分布，確定5 m煤柱時(shí)，為煤柱應(yīng)力峰值拐點(diǎn)。