劉鵬澤，高 林，2，3，許 帥，趙世毫，戰(zhàn)新宇，申業(yè)興

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭行業(yè)巷道支護(hù)與災(zāi)害防治工程研究中心，北京 100083；3.貴州大學(xué) 喀斯特地區(qū)優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

我國(guó)煤炭資源總體呈現(xiàn)“西多東少、北富南貧”的稟賦特征，以貴州為代表的南方各省主要以2m以下傾斜薄及中厚煤層分布為主，而以往留寬煤柱開(kāi)采模式下造成了大量煤炭資源的浪費(fèi)。因此，為合理利用煤炭資源，提高煤炭資源采出率，留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)在貴州礦區(qū)范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明，若留設(shè)的窄煤柱寬度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致煤柱承載能力不足，使煤柱失穩(wěn)，進(jìn)而造成巷道整體破壞[1-3]，故沿空掘巷合理煤柱寬度的確定對(duì)增強(qiáng)巷道圍巖穩(wěn)定性、確保工作面安全生產(chǎn)及提升煤炭回采率等方面均具有重要的工程實(shí)用價(jià)值[4，5]。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者針對(duì)沿空掘巷合理煤柱寬度的確定進(jìn)行大量研究，取得了豐富的成果。如張科學(xué)等[6]通過(guò)從采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力分布規(guī)律和應(yīng)力場(chǎng)分布、位移場(chǎng)分布等五個(gè)方面綜合考慮，確定窄煤柱寬度為5m時(shí)，有利于減小巷道變形，改善巷道狀況；王紅勝等[7]通過(guò)對(duì)基本頂斷裂位置與巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行分析，認(rèn)為煤柱寬度不宜為3.42～3.87m，否者會(huì)造成巷道變形嚴(yán)重，維護(hù)困難；馮吉成等[8]通過(guò)研究掘采期間大采高工作面不同煤柱寬度對(duì)煤柱兩側(cè)塑性區(qū)分布和對(duì)巷道變形的影響，確定煤柱寬度8m是最優(yōu)方案；柏建彪等[9]通過(guò)數(shù)值模擬，確定了軟煤條件下窄煤柱合理寬度為4～5m，中硬煤為3～4m；李磊等[10]運(yùn)用“內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)理論”并考慮沿空巷道寬度和窄煤柱寬度之和應(yīng)小于“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”的寬度這一準(zhǔn)則，綜合分析確定煤柱寬度為5m；孫東飛等[11]運(yùn)用內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)、極限平衡理論及數(shù)值計(jì)算模擬、工程實(shí)踐等方法，綜合確定深井6.8m大采高大斷面沿空掘巷窄煤柱合理寬度為6.5m；鄭錚等[12]采用傳統(tǒng)礦壓“內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)”理論和偏應(yīng)力第二不變量表征特性對(duì)不同寬度煤柱影響下巷道圍巖破碎機(jī)理與控制展開(kāi)研究，最終發(fā)現(xiàn)10m煤柱影響下，巷道整體變形相對(duì)較小且都在工程施工合理的范圍內(nèi)。以上學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬等方法對(duì)沿空掘巷合理煤柱寬度的留設(shè)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，但大多集中在近水平、厚煤層開(kāi)采沿空掘巷方面，對(duì)中國(guó)南方(貴州)地區(qū)廣泛分布的圍巖結(jié)構(gòu)具有明顯非對(duì)稱性、非均質(zhì)性的傾斜煤層半煤巖沿空掘巷[13-15]的研究鮮有提及，有待進(jìn)一步深入分析。本文以貴州土城礦1509回風(fēng)巷為工程背景，基于極限平衡理論計(jì)算得出傾斜煤層半煤巖沿空掘巷的理論煤柱寬度，并結(jié)合數(shù)值模擬塑性區(qū)、應(yīng)力及位移等進(jìn)行分析，綜合得出合理煤柱寬度，并成功用于工業(yè)性試驗(yàn)。

1 工程概況

貴州土城礦位于盤(pán)江礦區(qū)，1509回采工作面采用走向長(zhǎng)壁雙翼布置開(kāi)采方式，工作面走向長(zhǎng)度613m，傾斜長(zhǎng)度125m，沿15號(hào)煤層回采，工作面距地表高差556～564m，煤層走向93°～107°，傾向183°～197°，傾角19°～23°，一般為20°，工作面煤厚1.4～3m，平均2.2m，硬度f(wàn)=1.12，煤層容重1.4kg/m3。1509回風(fēng)巷原設(shè)計(jì)采用留3m窄煤柱護(hù)巷，是典型的傾斜煤層半煤巖沿空掘巷，煤層賦存及巷道布置如圖1所示。

圖1 煤層賦存及巷道布置

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，1509回風(fēng)巷先期掘進(jìn)過(guò)程中，由于煤柱寬度留設(shè)不合理，承載能力不足，加之采用單一U型棚被動(dòng)支護(hù)方式，導(dǎo)致煤柱破壞過(guò)程中引發(fā)巷道圍巖整體失穩(wěn)，具體表現(xiàn)為實(shí)體煤側(cè)圍巖整體移近，而采空區(qū)側(cè)圍巖移近量明顯大于實(shí)體煤側(cè)，U型鋼斷裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成圍巖持續(xù)呈現(xiàn)非對(duì)稱大變形特征，巷道反復(fù)停掘返修，嚴(yán)重影響了礦井正常的采掘接替。因此，重新確定該巷道合理煤柱寬度已迫在眉睫。

2 傾斜煤層半煤巖沿空掘巷煤柱寬度理論計(jì)算

已有研究得出[16-18]，沿空掘巷合理煤柱寬度L等于工作面開(kāi)采后在采空側(cè)煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度即應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度x1、錨桿有效長(zhǎng)度x2及煤柱安全余量長(zhǎng)度x3三者之和，如式(1)、式(2)所示。

L=x1+x2+x3

(1)

式中，M為煤層厚度，m；λ為側(cè)壓系數(shù)；φ0為煤層界面的內(nèi)摩擦角，(°)；C0為煤層的黏結(jié)力，MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為巖層平均重度，kN/m3；H為巷道埋深，m；Pz為對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，MPa。

上式對(duì)煤柱寬度的計(jì)算主要針對(duì)近水平、厚煤層沿空掘巷，式(2)中x1的計(jì)算沒(méi)有考慮煤層傾角的影響，對(duì)于圍巖結(jié)構(gòu)具明顯非均質(zhì)性、非對(duì)稱性以及存在煤巖分界面的傾斜煤層半煤巖沿空掘巷來(lái)說(shuō)，其計(jì)算結(jié)果顯然與實(shí)際情況不符。因此，筆者為進(jìn)一步分析得出適用于傾斜煤層半煤巖沿空掘巷合理煤柱寬度的理論計(jì)算式，基于極限平衡理論建立了該類巷道合理煤柱寬度理論計(jì)算模型，如圖2所示。

圖2 傾斜煤層半煤巖沿空掘巷合理煤柱寬度計(jì)算模型

首先，設(shè)極限平衡區(qū)范圍內(nèi)煤體應(yīng)力峰值處的邊界條件[19，20]：

σy|x=x0=kγHcosα

(3)

由于圖3中“ABCD”煤體位于極限平衡區(qū)范圍內(nèi)，當(dāng)其從頂?shù)装鍘r層擠出時(shí)，煤巖分界面處應(yīng)力滿足應(yīng)力極限條件，其應(yīng)力基本方程可表示為[21，22]：

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

(5)

(6)

τxy=-(C0+σytanφ0)(煤巖分界面)

(7)

限于篇幅，具體求解過(guò)程此處不一一列出，可參考文獻(xiàn)[20]。聯(lián)立上式并代入x=x1，y=M/2可得極限平衡區(qū)峰值應(yīng)力，并根據(jù)x方向的合力進(jìn)一步得到極限平衡區(qū)范圍內(nèi)煤巖分界面應(yīng)力表達(dá)式為：

結(jié)合應(yīng)力邊界條件式(3)、式(4)可得極限平衡區(qū)范圍，即工作面開(kāi)采后在采空側(cè)煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度x1為：

因此，傾斜煤層半煤巖沿空掘巷合理煤柱寬度L可進(jìn)一步表示為：

x2+(x1+x2)×(20%～40%)

(10)

式中，α為煤層傾角，(°)；Ps為采空側(cè)煤壁支護(hù)阻力，MPa；x2為錨桿有效長(zhǎng)度，m；x3為煤柱安全余量長(zhǎng)度，按(x1+x2)(20%～40%)計(jì)算[17，23]，m。

根據(jù)該礦1509回風(fēng)巷實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，將M=2.2m，α=20°，H=550m，x2=1.2m等相關(guān)地質(zhì)參數(shù)代入，經(jīng)估算，可得出x1=2.70m，x3=0.78～1.56m，因此算得L=4.68～5.46m，即1509回風(fēng)巷合理煤柱寬度在4.68～5.46m之間。

3 沿空掘巷煤柱寬度確定數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

為進(jìn)一步確定1509回風(fēng)巷的合理煤柱寬度，依據(jù)該礦井勘探報(bào)告等地質(zhì)資料，建立了FLAC3D數(shù)值模型，如圖3所示，模型尺寸(X×Y×Z)為200m×100m×100m，因研究重點(diǎn)主要集中在巷道頂?shù)装寮捌鋰鷰r，并考慮到計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，因此將巷道周邊10m范圍的圍巖進(jìn)行了網(wǎng)格加密，模型底部固定，四周固支約束，模型頂部施加12.50MPa自重載荷用以模擬巷道埋深上覆巖層重量，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulumb模型，模型前后左右各留20m煤柱以消除邊界效應(yīng)，并在巷道頂?shù)装?、兩幫分別布置測(cè)線，用以連續(xù)監(jiān)測(cè)巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況。為明確煤柱寬度對(duì)傾斜煤層半煤巖沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性的影響，模型建立過(guò)程中僅改變煤柱寬度大小，模型尺寸、物理力學(xué)參數(shù)取值等均保持不變。模型各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 塑性區(qū)分布規(guī)律

塑性區(qū)是評(píng)價(jià)巷道圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，在上區(qū)段工作面開(kāi)采完畢及巷道掘進(jìn)開(kāi)挖后，將數(shù)值模型運(yùn)算至平衡，截取5種煤柱寬度下模型中央(Y=50m)處的巷道圍巖塑性區(qū)分布切片，如圖4所示，并統(tǒng)計(jì)巷道圍巖塑性區(qū)寬度，如圖5所示。

圖4 巷道圍巖塑性區(qū)分布

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)寬度

由于上區(qū)段工作面開(kāi)采及巷道開(kāi)挖過(guò)程中破壞了原巖應(yīng)力場(chǎng)的平衡狀態(tài)引起應(yīng)力重新分布，工作面開(kāi)采后采空區(qū)上覆巖層重量向采空區(qū)周圍轉(zhuǎn)移，在采空區(qū)四周形成支承壓力帶，引起應(yīng)力集中，使得采空區(qū)周圍產(chǎn)生塑性區(qū)，而巷道開(kāi)掘后，巷道圍巖內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得圍巖應(yīng)力大于巖體強(qiáng)度，巷道周圍產(chǎn)生塑性變形。結(jié)合圖4、圖5可知，巷道圍巖塑性區(qū)寬度均隨著煤柱寬度的增大而呈減小趨勢(shì)，其中以煤柱側(cè)變化最為明顯。當(dāng)煤柱寬度為3m時(shí)，巷道頂?shù)装?、?shí)體煤側(cè)及煤柱側(cè)塑性區(qū)寬度分別為1.5m、2m、1.8m、3m，巷道圍巖塑性區(qū)與采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)相連通，巷道不僅受其圍巖的擠壓作用，而且上覆巖層的自重應(yīng)力通過(guò)煤柱傳遞到巷道右?guī)图捌漤敯逄?，使得巷道產(chǎn)生大的變形，巷道圍巖塑性區(qū)寬度均比其他方案下大，同時(shí)由于煤柱過(guò)小，承載力較弱，導(dǎo)致煤柱破壞；當(dāng)煤柱寬度為4m時(shí)，巷道底板(1.5m)、實(shí)體煤側(cè)(1.6m)及煤柱側(cè)(2m)塑性區(qū)寬度均有所減小，其與采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)呈現(xiàn)連接趨勢(shì)，煤柱中部?jī)H靠0.5m左右的彈性區(qū)維持其承載力，隨著掘采工作的進(jìn)行，該段彈性區(qū)最終也會(huì)因其承載能力不足而產(chǎn)生破壞，使得巷道圍巖塑性區(qū)與采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)相連通，影響巷道的穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度增加到5m時(shí)，煤柱側(cè)塑性區(qū)寬度減小到1.5m，煤柱中間存在2.5m的彈性區(qū)，將巷道圍巖與采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)完全隔離，巷道將僅承受其圍巖的擠壓作用，巷道穩(wěn)定性受影響較小，實(shí)體煤側(cè)塑性區(qū)寬度也減小至1.3m；當(dāng)煤柱寬度增加到7～9m時(shí)，巷道圍巖塑性區(qū)范圍基本穩(wěn)定在1.0～1.5m之間，煤柱側(cè)未破壞區(qū)的范圍繼續(xù)加大，使得煤柱足以承受上覆巖層載荷，巷道穩(wěn)定性良好。

3.2.2 圍巖變形規(guī)律

當(dāng)巷道開(kāi)挖完畢模型運(yùn)算平衡后，在模型中央進(jìn)行切片，得到巷道圍巖位移云圖，如圖6所示，并提取布置在巷道周圍四條測(cè)線的位移數(shù)據(jù)，得到不同煤柱寬度條件下巷道圍巖變形柱狀圖，如圖7所示。分析可知，不同煤柱寬度下巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃翁卣鳛椋?/p>

圖6 巷道圍巖位移云圖(m)

圖7 不同煤柱寬度巷道圍巖變形

1)巷道頂板位移。巷道頂板處的變形最為明顯，說(shuō)明受掘采擾動(dòng)影響，巷道以頂板變形為主。頂板位移量隨煤柱寬度增大線性減小，當(dāng)煤柱寬度從3m逐漸增大到9m，頂板變形從23mm降低到14mm，當(dāng)煤柱寬度為3m時(shí)，煤柱承載能力不足，無(wú)法支撐巷道上覆巖體發(fā)生的強(qiáng)烈變形下沉，使得巷道頂板產(chǎn)生大變形，導(dǎo)致位移峰值處于巷道頂板上方，巷道右?guī)图懊褐鶄?cè)的位移值均處于較高水平。而隨著煤柱寬度的增加，位移峰值開(kāi)始向上區(qū)段工作面采空區(qū)側(cè)移動(dòng)，當(dāng)煤柱寬度為5m時(shí)，煤柱承載能力加大，且巷道受側(cè)向支承壓力的影響也相應(yīng)減小，頂板的位移峰值狀態(tài)解除，煤柱增加到7～9m寬時(shí)，頂板位移值進(jìn)一步減小。

2)巷道幫部位移。煤柱作為上區(qū)段工作面采空區(qū)與1509回風(fēng)巷的唯一連接部位，受側(cè)向支承壓力影響較大，因此，煤柱側(cè)的變形程度要高于實(shí)體煤側(cè)，煤柱側(cè)的變形量隨煤柱寬度的增加呈減少趨勢(shì)。當(dāng)煤柱寬度為3m時(shí)，位移峰值狀態(tài)集中在煤柱上，使得煤柱側(cè)位移量達(dá)到最大，隨著煤柱寬度從3m增加到9m，煤柱的位移量逐漸減小，同時(shí)煤柱上的位移峰值范圍也開(kāi)始向采空區(qū)側(cè)轉(zhuǎn)移；而實(shí)體煤側(cè)由于離上區(qū)段工作面采空區(qū)較遠(yuǎn)，受上工作面開(kāi)采影響較小，導(dǎo)致實(shí)體煤側(cè)位移總體偏小，位移量隨煤柱寬度的增加先減小(3～5m)后增大(5～7m)再減小(7～9m)。

3)底板位移。巷道底板位移量較小，且隨煤柱寬度的增加變化不大，當(dāng)煤柱寬度為3m時(shí)，巷道底板整體產(chǎn)生較小的變形，當(dāng)煤柱寬度為4m時(shí)，僅在巷道底部?jī)蓚€(gè)邊角產(chǎn)生變形，且隨煤柱寬度的增加，邊角的變形范圍逐漸縮小，直至消失。

3.2.3 垂直應(yīng)力分布規(guī)律

截取模型運(yùn)算平衡后Y=50m處的垂直應(yīng)力云圖，如圖8所示，并由數(shù)值模型中巷道幫部?jī)蓷l測(cè)線的垂直應(yīng)力值繪制應(yīng)力云圖，如圖9所示。分析圖8和圖9可知：

圖8 巷道圍巖應(yīng)力分布(Pa)

圖9 巷道兩幫垂直應(yīng)力變化曲線

1)巷道圍巖垂直應(yīng)力大致呈“000”型分布，如圖8(b)所示，且隨著煤柱寬度的增加，實(shí)體煤側(cè)“0”范圍逐漸縮小，煤柱側(cè)“0”范圍逐漸擴(kuò)大。

2)實(shí)體煤側(cè)的垂直應(yīng)力隨著與巷道中心距離的減小而呈線性增長(zhǎng)，且當(dāng)煤柱寬度從3m增加到9m，實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力逐漸減小，實(shí)體煤側(cè)距巷道中心10.40m處的垂直應(yīng)力由20.65MPa減小到18.10MPa，距巷道中心2.65m處的垂直應(yīng)力由34.1MPa減小到26.6MPa。

3)由于垂直應(yīng)力測(cè)線穿過(guò)煤柱側(cè)呈對(duì)稱形式的應(yīng)力集中區(qū)域下部，因此煤柱側(cè)的垂直應(yīng)力整體呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)；當(dāng)煤柱寬度為3m時(shí)，由于煤柱寬度過(guò)窄，巷道右?guī)透浇邕_(dá)到煤柱應(yīng)力集中區(qū)域的中心，使得其垂直應(yīng)力值達(dá)到最高34.1MPa，離巷道中心2.65m處(巷道右?guī)捅砻?的垂直應(yīng)力隨煤柱寬度的增加呈減少趨勢(shì)；隨著煤柱寬度的增加，煤柱的應(yīng)力集中區(qū)域整體向采空區(qū)側(cè)移動(dòng)，同時(shí)垂直應(yīng)力峰值也向采空區(qū)側(cè)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致了煤柱側(cè)“0”型垂直應(yīng)力范圍的增大，因此當(dāng)煤柱寬度為3m時(shí)，煤柱側(cè)垂直應(yīng)力在距巷道中心5.75m處開(kāi)始增長(zhǎng)，當(dāng)煤柱寬度為4～5m時(shí)，垂直應(yīng)力在距巷道中心7.30m處開(kāi)始增長(zhǎng)，當(dāng)煤柱寬度為7～9m時(shí)，垂直應(yīng)力在距巷道中心8.85m處開(kāi)始增長(zhǎng)。

3.2.4 煤柱合理寬度綜合分析

數(shù)值模擬運(yùn)算結(jié)果表明：隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖塑性區(qū)逐漸減小，巷道圍巖與上區(qū)段工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)的間隔逐漸擴(kuò)大，當(dāng)煤柱寬度為5m時(shí)，巷道圍巖與采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)可實(shí)現(xiàn)完全隔離，巷道穩(wěn)定性可以得到保證；而隨著煤柱寬度的增加，巷道頂?shù)装寮捌鋬蓭偷淖冃瘟恐饾u減小，因此，一定范圍內(nèi)煤柱寬度越大越有利于巷道的穩(wěn)定性；在垂直應(yīng)力分布規(guī)律方面，實(shí)體煤側(cè)的垂直應(yīng)力隨煤柱寬度的增加而減小，且巷道右?guī)捅砻娴拇怪睉?yīng)力分布與煤柱寬度的增加呈反比，同時(shí)在煤柱側(cè)離巷道中心5.75m以外，煤柱寬度越大，巷道右?guī)蛧鷰r的應(yīng)力峰值范圍離巷道越遠(yuǎn)。因此，通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析，結(jié)合前節(jié)理論計(jì)算得出的合理煤柱寬度為4.68～5.46m，并考慮煤礦開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)最大限度降低資源浪費(fèi)這一原則，研究認(rèn)為，將1509回風(fēng)巷沿空掘巷煤柱留設(shè)寬度確定為5m較為合理。

4 工業(yè)試驗(yàn)

4.1 護(hù)巷煤柱支護(hù)方案

土城礦1509回風(fēng)巷后續(xù)掘進(jìn)施工過(guò)程中的護(hù)巷煤柱寬度按照5m留設(shè)，并采用“U型鋼+中空注漿錨索+噴漿+注漿”索噴注支護(hù)方案，具體支護(hù)參數(shù)如下：

1)U型鋼：采用下寬和中高相同規(guī)格的29U型鋼拱形棚支護(hù)，棚距為500mm，梁腿搭接長(zhǎng)度為400mm，上卡纜與中卡纜間距為220mm，中卡纜與下卡纜并排，卡纜螺絲擰緊扭矩不得小于350N·m。

2)中空注漿錨索：在巷道頂部及兩幫分別施工3根、2根中空注漿錨索，錨索直徑×長(zhǎng)度=21.6mm×8000mm，間排距為1300mm×2000mm。

3)噴漿：注漿前對(duì)巷道進(jìn)行噴漿，水泥砂漿配合比為水泥∶砂子=1∶5.5，速凝劑的比例為水泥用量的3%～5%，噴漿的表面必須圓滑，噴漿后錨索的外露長(zhǎng)度不超過(guò)150mm。

4)注漿：噴漿完成后，待巷道表面砂漿凝固后開(kāi)始注漿，先頂后幫進(jìn)行施工，注漿采用水泥單液漿，水泥采用P.O42.5型，水泥和水的配合比為水泥∶水=1.5∶1(重量配合比)，注漿終壓設(shè)計(jì)為2.0MPa。

4.2 沿空掘巷圍巖支護(hù)效果分析

1)工業(yè)試驗(yàn)過(guò)程中，為檢驗(yàn)5m煤柱寬度下沿空掘巷圍巖維護(hù)效果，在1509回風(fēng)巷后續(xù)新掘支護(hù)穩(wěn)定段布置測(cè)站，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)。結(jié)果顯示，該巷道采用留設(shè)5m寬煤柱進(jìn)行掘進(jìn)護(hù)巷后，相比于原設(shè)計(jì)同時(shí)期，巷道輪廓相對(duì)完整，變形明顯減小，如圖10所示。

圖10 留5m煤柱后巷道維護(hù)狀況

2)采用鉆孔窺視儀對(duì)巷道頂板及兩幫圍巖進(jìn)行了鉆孔探測(cè)，探測(cè)鉆孔部分深度位置圖像采集截圖如圖11所示。三個(gè)方向的鉆孔內(nèi)壁都較為光滑且無(wú)塌孔存在，說(shuō)明采用優(yōu)化后的煤柱寬度及支護(hù)方案進(jìn)行掘進(jìn)，巷道圍巖完整性較好，穩(wěn)定性增強(qiáng)，有利于保障礦井安全高效開(kāi)采。

圖11 鉆孔部分深度位置采集圖像

5 結(jié) 論

1)基于極限平衡理論建立了傾斜煤層半煤巖沿空掘巷合理煤柱寬度計(jì)算模型，推導(dǎo)得出了傾斜煤層半煤巖沿空掘巷窄煤柱合理寬度計(jì)算公式，并根據(jù)1509回風(fēng)巷實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，得出1509回風(fēng)巷窄煤柱合理寬度理論值在4.68～5.46m之間。

2)建立了傾斜煤層半煤巖沿空掘巷三維數(shù)值模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)不同煤柱寬度下1509回風(fēng)巷圍巖塑性區(qū)分布及應(yīng)力、位移演化規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果綜合分析得出：窄煤柱寬度為5m時(shí)，有利于巷道穩(wěn)定且能保證礦井的回采率。

3)工業(yè)試驗(yàn)中，1509回風(fēng)巷后續(xù)新掘支護(hù)穩(wěn)定段礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，該巷道采用留設(shè)5m寬煤柱進(jìn)行掘進(jìn)護(hù)巷后，相比于原設(shè)計(jì)同時(shí)期，巷道輪廓相對(duì)完整，變形明顯減小。同時(shí)，巷道頂板及兩幫圍巖鉆孔探測(cè)結(jié)果顯示鉆孔內(nèi)壁光滑且無(wú)塌孔，圍巖完整性較好，有利于提高傾斜煤層半煤巖沿空掘巷的穩(wěn)定性，進(jìn)一步驗(yàn)證了研究成果的可靠性。