李慶卯

（霍州煤電集團有限責(zé)任公司辛置煤礦，山西 霍州 031400）

0 前言

我國國土面積遼闊，資源儲量豐富，但整體呈現(xiàn)不均態(tài)勢，據(jù)統(tǒng)計我國煤炭資源的年開采量及使用量均位居世界前列，同時考慮到我國實際國情及發(fā)展趨勢，在未來幾十年里，我國煤炭主體地位不會發(fā)生改變。在2020 年，全世界煤炭的需求量超過90 億t，而我國的煤炭需要求量占據(jù)全國的5 層以上，且在2040 年占比仍不會小于40%。在多年的開采過程中，眾多開采難題制約著發(fā)展，其中沿空留巷煤柱留設(shè)穩(wěn)定性是一個較為突出的問題。沿空留巷是指利用上個采空區(qū)的運輸巷道或者回風(fēng)巷道為下個工作面開采提供條件的一種技術(shù)，但受到工作面采動影響，此時留巷極易發(fā)生垮落變形，留巷煤柱上方覆巖在達到承載極限后會發(fā)生斷裂，嚴重影響煤柱穩(wěn)定性[1-2]，造成巷道報廢，嚴重困擾著煤礦安全生產(chǎn)，所以針對沿空留巷煤柱留設(shè)寬度進行研究對于留巷成功與否十分關(guān)鍵[3-4]，此前眾多學(xué)者對此進行過一定的研究，本文基于前人的研究，對煤柱合理留設(shè)寬度進行分析，為礦井安全提升，效益提升做出一定的貢獻。

1 模擬研究

工作面在回采后，此時的煤柱的應(yīng)力分布情況不僅與巷道掘進和工作面回采支撐壓力有關(guān)有關(guān)，同時其與煤柱寬度有著密切的關(guān)系，煤柱與煤柱寬度有關(guān)，支撐壓力與煤柱寬度存在三種情況。

1）當煤柱寬度較小時，支撐壓力范圍會超過煤柱寬度，煤柱塑性區(qū)域增大，由于回采及掘進的影響使得煤柱兩側(cè)的支撐壓力暴增，煤柱承擔(dān)載荷較大，隨著支撐時間的不斷推移，此時由于覆巖和采動雙重作用下，煤柱穩(wěn)定性進一步被破壞，但塑性區(qū)域發(fā)生貫通時，煤柱無法承擔(dān)載荷，從而發(fā)生失穩(wěn)破壞，嚴重威脅著礦井安全。

2）當煤柱寬度較大時，此時支撐 壓力影響范圍小于煤柱寬度，在巷道回采及掘進雙重作用下，此時煤柱兩側(cè)的支撐壓力值仍會升高，達到支撐壓力的峰值，但此時煤柱中間部位仍為彈性區(qū)域，煤柱的支撐壓力呈現(xiàn)出類似“馬鞍”形態(tài)，能承擔(dān)較大荷載，此時巷道穩(wěn)定性得到有效保障。

3）當煤柱寬度極大時，此時支撐壓力影響范圍遠小于煤柱壓力影響范圍，巷道掘進和回采的影響下煤柱兩側(cè)的支承壓力仍會升高，達到支撐壓力峰值時，此時的彈性核區(qū)的支撐壓力原低于原巖應(yīng)力。在支撐壓力作用下，煤柱會出現(xiàn)破壞區(qū)、彈性區(qū)、塑性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，此時煤巖的邊緣塑性區(qū)隨著支撐壓力的增大逐步擴展，但由于彈性核區(qū)寬度很大，所以能夠有效支撐，但考慮到此時的經(jīng)濟成本，此方法并不適用。

以山西焦煤霍州煤電辛置煤礦2-212 綜采工作面為研究背景，巷道的尺寸：頂寬5.2 m，底寬5 m，左右?guī)头謩e為2.5 m 和2.2 m 的梯形，支護采用錨網(wǎng)支護：頂板錨桿采用Φ24 mm×2 000 mm 的錨桿，排距為0.8 m，共布置6 根，兩端錨桿與巷幫角度為20°布置；巷道的左右?guī)湾^桿長采用Φ24 mm×2 400 mm 的錨桿，共布置3 根，幫部錨桿的排距為0.85 m，左右?guī)途嚯x頂板0.5 m，角度為20°布置，右?guī)偷锥隋^桿距底0.8 m，左幫距底板1 m，在不影響計算的情況下適當進行模型的簡化，對模型進行力學(xué)參數(shù)設(shè)定及邊界條件設(shè)定，完成上述設(shè)定后對合理煤柱寬度進行模擬分析，選擇煤柱寬度3 m、5m、7m、9m、12 m、15 m、18 m和20 m 八種方案，分別對不同煤柱寬度下水平及垂直應(yīng)力分布進行分析，應(yīng)力曲線如圖1 所示。

圖1 不同煤柱寬度下水平及垂直應(yīng)力曲線

由圖1 中可以看出，隨著煤柱留設(shè)寬度的不斷增加煤柱內(nèi)部的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢，當煤柱留設(shè)寬度為3～5 m 時，此時相比較而言垂直應(yīng)力整體變化趨勢不大，而當煤柱留設(shè)寬度增大至5～9 m時，此時煤柱的應(yīng)力從10 MPa 增大至16 MPa，繼續(xù)增大煤柱留設(shè)寬度至9～18 m，此時煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力快速增大，最大應(yīng)力達到29.8 MPa，當煤柱留設(shè)寬度增大至20 m 時，此時的最大應(yīng)力變化相比與煤柱寬度18 m 時并無明顯變化，同時煤柱留設(shè)寬度為5 m時，此時的煤柱中部會形成一定面積的應(yīng)力核，長。觀察水平應(yīng)力隨煤柱寬度變化趨勢可以看出，隨留煤柱寬度增加，水平應(yīng)力呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，在煤柱寬度3～5 m時，水平應(yīng)力增大的幅度較小，而在煤柱寬度7～15 m，水平應(yīng)力急劇增加，水平應(yīng)力過大極易造成煤柱發(fā)生剪切破壞，發(fā)生失穩(wěn)，煤柱寬度為15～20 m，增幅又變緩。

對煤柱寬度4 m、6 m、10 m、15 m 時的巷道兩幫水平位移量進行研究，繪制不同煤柱寬度下的煤柱水平位移曲線如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，隨著煤柱寬度的增大，此時隨著煤柱寬度的增大，煤柱變形量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當煤柱寬度為4 m 時，此時煤柱處于巷道側(cè)向采動壓力降低區(qū)，由于采動的影響此時的煤柱變形較為嚴重，煤柱失去承載能力破壞，此時煤柱的變形為幾種煤柱寬度下的最大值，當煤柱寬度增大至10～15 m 時，此時由于處于側(cè)向壓力的峰值區(qū)，使得其變形量仍然較大，明顯大于煤柱寬度6 m 時的煤柱變形量，所以最終確定柱寬度取6 m，在煤柱寬度6 m時，此時煤柱雖會受到一定的側(cè)向采動影響，但由于其處于采動影響的應(yīng)力降低區(qū)位置，并不會出現(xiàn)較大的失穩(wěn)變形，對于巷道穩(wěn)定性的維護較為有利，同時煤柱寬度為6 m 時，經(jīng)濟效益較為合理，所以選取煤柱寬度6 m 能夠滿足礦井安全生產(chǎn)的需求。

2 工業(yè)應(yīng)用

對煤柱留設(shè)寬度6 m 進行工業(yè)驗證，巷道的頂錨桿選用Φ22 mm×2 400 mm 左旋高強錨桿，每排布置6 根，設(shè)置間排距為800 mm×800 mm，兩外側(cè)錨桿向外成15°打設(shè)，采用尺寸為150 mm×150 mm×10mm的高強度拱形托盤。巷道的兩幫采用Φ20 mm×2 200 mm 高強玻璃錨桿，每排4 根，間排距800 mm×800 mm，錨桿垂直墻體打設(shè)。巷道的頂錨索采用Φ17.8 mm×8 300 mm 的錨索，沿頂板“2—1—2”布置，錨索間排距為3 000 mm×800 mm，同樣配套高強度托盤，同時在頂部鋪設(shè)金屬網(wǎng)片，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，煤柱幫采用Φ15.24 mm×4 300 mm 的錨索，沿巷道走向布置，配套使用300 mm×300 mm×16 mm 托盤。在巷道每隔20 m 布置監(jiān)測點，用于監(jiān)測巷道圍巖變形量，監(jiān)測的數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

由圖3 可以看出，在沿空掘巷期間，此時巷道圍巖表面的變形情況呈現(xiàn)明顯的階段性特征，在不同時間段內(nèi)變化趨勢大不相同，在（0～160 m 范圍內(nèi)）此時為變形劇烈階段，此時工作面采空區(qū)頂板劇烈活動，未完成穩(wěn)定，巷道圍巖受到掘進的影響出現(xiàn)大面積的塑性變形，甚至破壞，圍巖的變形也呈現(xiàn)急劇變化趨勢，巷道圍巖表面圍巖變形大多產(chǎn)生與本階段。在此階段內(nèi)，巷道的兩幫及頂?shù)装逡平糠謩e達到218 mm、139 mm，此時觀察變形速度曲線可以看出，此時的頂?shù)装寮皟蓭妥冃嗡俣染^大，分別為7 mm/d 和11 mm/d 左右，兩幫的移近量中主要以煤柱移近為止，煤柱移近占據(jù)整體兩幫變形的6 成左右。在160 m 范圍外時，此時為相對穩(wěn)定階段，此時的采空區(qū)頂板完全垮落，活動穩(wěn)定，圍巖的應(yīng)力環(huán)境得到有效改善，圍巖局部趨于穩(wěn)定，在此階段整體圍巖變形不會發(fā)生較大的波動，圍巖的變形速率保持在2 mm/d 左右，對整體累積變形量影響較小。整體觀察巷道圍巖表面的圍巖變形情況可以看出，整體變形保持在可控區(qū)域，對于整體留巷較為有利，所以最佳煤柱寬度6 m 方案可行。

3 結(jié)論

1）根據(jù)對不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力呈現(xiàn)隨著煤柱留設(shè)寬度的不斷增大的趨勢。

2）隨著煤柱寬度的增大，此時隨著煤柱寬度的增大，煤柱變形量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，煤柱寬度為6 m 時煤柱位移量最小。

3）在煤柱寬度6 m 下，隨著距離采空區(qū)距離的減小，巷道圍巖表面的變形情況呈現(xiàn)明顯的階段性特征，但整體變形量處于可控范圍。