回采巷道煤柱穩(wěn)定性影響研究

區(qū)段煤柱是保證相鄰工作面回采安全的隔離體，起著隔離采空區(qū)和維護(hù)回采巷道的作用；它與回采巷道支護(hù)、維護(hù)成本、安全生產(chǎn)、煤炭資源回采率密切相關(guān)。本文以某礦實(shí)際為工程背景，通過(guò)理論計(jì)算與數(shù)值模擬方法得出某礦不同開采情況下、不同煤柱尺寸對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響。

1 煤柱寬度尺寸計(jì)算

1）工程概況：某礦現(xiàn)開采煤層為石炭二疊系煤層、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含4-10層夾石，巖性一般為炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖、粉砂巖。煤層厚度12.14m～23.43m，平均16.44 m。老頂為中粗砂巖、含礫粗砂巖，直接頂為粉、細(xì)砂巖。采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤的采煤方法，采高3.9m，放煤厚度11.08m，采放比約1∶2.84，上覆巖層有侏羅系的采空區(qū)，工作面間煤柱尺寸45m。

2）煤柱尺寸理論計(jì)算：對(duì)于采準(zhǔn)巷道的護(hù)巷煤柱，采空區(qū)間(空區(qū)側(cè))與回采巷道在煤柱兩側(cè)分別形成一個(gè)寬度為R0與R的塑性變形區(qū)，當(dāng)煤柱寬度B小于煤柱兩側(cè)形成的塑性區(qū)寬度R0與R之和時(shí)，即煤柱兩側(cè)形成的塑性區(qū)相貫通時(shí)，煤柱將失去其穩(wěn)定性，出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。因此，護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，即在煤柱中央保持一定寬度的彈性核。對(duì)一次采全厚的綜放工作面護(hù)巷煤柱，彈性核的寬度取兩倍的巷道高度即可。故綜放工作面護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定狀態(tài)的寬度為：

結(jié)合某礦的實(shí)情，將 h=3.6 m，λ=1.17,k=1.5～2，K=2～3，γH=13.8 MPa，Px=0，M=15.3 m，C0=2.05 MPa，φ0=55°帶入上式，得某礦煤柱穩(wěn)定狀態(tài)的寬度B≥（30.1～32.9）m。

2 煤柱寬度數(shù)值模擬

1）模型建立：根據(jù)8106工作面及其鄰近面的基本情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同寬度的煤柱進(jìn)行模擬，得出不同寬度煤柱（25m、30m、35m、40 m、45 m、50 m、55 m、60 m）的塑性區(qū)、應(yīng)力、位移分布，確定能夠維持煤柱和巷道穩(wěn)定的煤柱寬度。工作面采空區(qū)采用完全垮落式處理。模型斷面圖略，模型尺寸及單元節(jié)點(diǎn)數(shù)目見表1。FLAC3D建模圖略。模型底部為固定邊界；頂部為自由邊界，模型四周邊界施加橫向約束，縱向自由。再者，結(jié)合該礦地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及模擬工作面布置方位（見圖1），經(jīng)計(jì)算可確定在模型X軸方向施加21.2～16.5 MPa的梯度應(yīng)力；模型Y軸方向施加6.5～5.1 MPa的梯度應(yīng)力；模型上部施加11.3 MPa的等效載荷，Z軸方向設(shè)定自重載荷。

2）煤柱穩(wěn)定性的模擬結(jié)果分析。煤柱兩側(cè)巷道掘進(jìn)后的煤柱穩(wěn)定性模擬結(jié)果分析：a.煤柱尺寸對(duì)煤柱塑性區(qū)間的影響。根據(jù)煤柱兩側(cè)巷道掘進(jìn)后的煤柱彈塑性區(qū)分布情況圖，分析可知，巷道兩側(cè)塑性區(qū)寬度都為2 m；隨著煤柱寬度的增加，巷道兩側(cè)及其煤柱的塑性區(qū)范圍保持不變。b.煤柱尺寸對(duì)垂直應(yīng)力峰值的影響。根據(jù)煤柱兩側(cè)巷道掘進(jìn)后的煤柱垂直應(yīng)力分布情況圖，分析可知，巷道兩側(cè)的垂直應(yīng)力峰值16.4～16.7 MPa；隨煤柱寬度的變化，應(yīng)力峰值基本保持不變。c.煤柱尺寸對(duì)巷道兩幫與頂?shù)装逦灰屏坑绊懀簣D2為煤柱兩側(cè)巷道掘進(jìn)后的巷道位移分布，巷道的兩幫和頂板位移量不受煤柱寬度的影響，頂板下沉量為150～158 mm，回采側(cè)幫和煤柱側(cè)幫移近量分別為86～90 mm和92～100 mm。

圖1 地應(yīng)力方位與工作面對(duì)應(yīng)圖

表1 區(qū)段煤柱數(shù)值模擬參數(shù)

圖2 不同煤柱寬度巷道的位移

圖3 不同煤柱寬度圍巖彈塑性區(qū)分布

圖4 不同煤柱寬度圍巖垂直應(yīng)力分布

圖5 煤柱應(yīng)力分布曲線

圖6 不同煤柱寬度巷道位移

一側(cè)采空時(shí)煤柱穩(wěn)定性模擬結(jié)果分析。a.煤柱尺寸對(duì)煤柱塑性區(qū)間的影響：圖3為一側(cè)采空時(shí)不同寬度煤柱彈塑性區(qū)分布情況，結(jié)論如下：煤柱寬度25 m時(shí)，采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)寬度17 m，巷道側(cè)為6 m，煤柱中間彈性核區(qū)寬度2 m，彈性核區(qū)寬度較小。隨著煤柱寬度增加，煤柱內(nèi)塑性區(qū)范圍減小。30 m煤柱時(shí)，采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)寬度15 m，巷道側(cè)為4 m，煤柱中彈性核區(qū)寬度11m，煤柱塑性區(qū)范圍減小。煤柱寬度繼續(xù)增大后，煤柱內(nèi)塑性區(qū)的范圍基本不變，彈性核區(qū)逐漸增大。模擬表明：煤柱的寬度存在臨界值；超過(guò)臨界值后，雖然煤柱更加穩(wěn)定，有利于巷道的維護(hù)，但增加了煤炭資源的損失。b.煤柱尺寸對(duì)垂直應(yīng)力峰值的影響。見圖4和圖5。當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，煤柱應(yīng)力曲線為單峰曲線，25 m煤柱和30m煤柱的應(yīng)力峰值分別為49 MPa和44.5 MPa；隨著煤柱寬度繼續(xù)增加，應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰曲線，巷道側(cè)煤柱應(yīng)力峰值逐漸減??；當(dāng)煤柱寬度達(dá)到60 m時(shí)，應(yīng)力峰值為30.3MPa。由計(jì)算得到煤柱的極限抗壓強(qiáng)度約為31MPa，當(dāng)煤柱垂直應(yīng)力高于煤柱的極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，煤柱將會(huì)失穩(wěn)。煤柱寬度小于55m時(shí)，垂直應(yīng)力遠(yuǎn)大于31 MPa，煤柱不穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度達(dá)到55 m時(shí)，應(yīng)力峰值31.3 MPa，煤柱接近于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)煤柱寬度增加到60 m時(shí)，應(yīng)力峰值28.5 MPa，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)煤柱寬度為45 m，煤柱應(yīng)力峰值37.4 MPa，大于煤柱的極限抗壓強(qiáng)度，圍巖變形嚴(yán)重，若不采取措施煤柱不會(huì)穩(wěn)定，容易引起鄰空巷道圍巖變形與失穩(wěn)。c.煤柱尺寸對(duì)巷道的兩幫與頂?shù)装逦灰屏康挠绊?。進(jìn)行數(shù)值模擬過(guò)程中，對(duì)巷道表面位移進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，給出了不同煤柱尺寸時(shí)的巷道表面位移變化狀況，見圖6。不同尺寸煤柱的巷道表面位移量都較大，巷道變形嚴(yán)重；隨著煤柱尺寸的增加，巷道表面位移也隨著近似線性降低；煤柱寬度60 m時(shí)，巷道頂板下沉量、回采側(cè)幫移近量、煤柱側(cè)幫移近量分別為339mm、136mm、230mm，巷道位移量相對(duì)較小。

3 結(jié)論

1）由同寬度煤柱模型的彈塑性區(qū)、垂直應(yīng)力、表面位移分布規(guī)律可知：煤柱寬度較小時(shí)，煤柱應(yīng)力曲線為單峰曲線，應(yīng)力峰值較高，巷道變形嚴(yán)重；隨著煤柱寬度的增加，煤柱應(yīng)力曲線由單峰轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰，應(yīng)力峰值逐漸降低，巷道變形量逐漸減小。

2）當(dāng)煤柱寬度達(dá)到60 m時(shí)，煤柱巷道側(cè)應(yīng)力峰值28.5MPa，低于煤柱的極限強(qiáng)度，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，若不采取措施，煤柱寬度達(dá)到60 m時(shí)，巷道和煤柱才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3）依照理論計(jì)算煤柱寬度、數(shù)值模擬結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際寬度對(duì)比可知：?jiǎn)渭円揽棵褐鶎挾仍黾觼?lái)保持回采巷道穩(wěn)定性，由此造成煤炭損失巨大；故有必要保證回采巷道圍巖穩(wěn)定的前提下，采取合理措施優(yōu)化煤柱尺寸、提高煤炭的采出率，創(chuàng)造更大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。對(duì)于煤柱尺寸優(yōu)化應(yīng)從緩解煤柱的高應(yīng)力狀態(tài)方面入手：一是加強(qiáng)回采巷道本身的支護(hù)強(qiáng)度，提高其自身的維穩(wěn)能力；二是改善煤柱的受力狀態(tài)，緩解采空區(qū)側(cè)覆巖運(yùn)動(dòng)對(duì)其穩(wěn)定性造成的影響。例如爆破切頂卸壓，在頂抽巷中布置鉆孔，利用爆破削弱采空區(qū)與待采區(qū)的頂板聯(lián)系，緩解煤柱受力。

[1]陳炎光,陸士良,侯朝炯,等.中國(guó)煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994:136-141.

[2]奚家米,毛久海，楊更社，王進(jìn)鋒.回采巷道合理煤柱寬度確定方法研究與應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008,25（4）：400-403.

[3]錢鳴高,石平五.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2003.