深部礦井沿空掘巷煤柱留設(shè)寬度確定

摘 要：煤柱合理寬度的確定是影響綜放沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性的重要因素。文章通過理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，確定了深部礦井沿空掘巷的煤柱合理寬度為6m，現(xiàn)場試驗(yàn)表明，留設(shè)6m煤柱時(shí)沿空幫移近量最大為184mm，實(shí)體幫移近量最大為95mm，頂板下沉量最大為78mm，底臌量最大為134mm。巷道圍巖整體變形量不大，表明煤柱寬度留設(shè)6m是合理的。

關(guān)鍵詞：深部；沿空掘巷；煤柱寬度；數(shù)值模擬

引言

保留煤柱寬度與回采巷道支護(hù)、維護(hù)成本、安全生產(chǎn)以及煤炭資源回采率密切相關(guān)，煤柱寬度選擇的正確與否，對保證巷道穩(wěn)定至關(guān)重要[1]。我國目前部分煤礦仍存在依靠經(jīng)驗(yàn)來確定煤柱寬度，缺乏科學(xué)性和針對性，往往不是造成煤炭資源的浪費(fèi)，就是巷道在掘進(jìn)和回采過程難以維護(hù)，甚至出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿?，如何兼顧資源回收率和巷道穩(wěn)定，合理確定煤柱寬度，一直是眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。

目前，確定綜放沿空掘巷小煤柱尺寸采用的經(jīng)驗(yàn)類比法，存在很大的盲目性和局限性。因此，如何合理、科學(xué)地確定綜放沿空巷道小煤柱的尺寸，對于綜放開采安全生產(chǎn)具有重大意義[3]。文章以巨野礦區(qū)某深部礦井沿空掘巷為工程背景，采用理論分析、現(xiàn)場實(shí)測的研究手段，確定深井綜放沿空掘巷合理煤柱留設(shè)寬度，期望對工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

1 礦井概況

礦井平均開采深度1000m，回采煤層厚8.50～10m，平均9m，普氏系數(shù)f=1.59，密度1.36g/cm3，傾角2°～13°，平均傾角5°，具有弱沖擊傾向性。煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中間夾0.10～0.35m厚的泥巖或炭質(zhì)泥巖。煤層直接頂為粉砂巖，厚19.87m，裂隙發(fā)育，具水平層理；基本頂為細(xì)砂巖，厚4.2～4.5m，整體性強(qiáng)；偽底為泥巖，厚1.45m；直接底為粉砂巖，裂隙發(fā)育；基本底為細(xì)砂巖，厚3.35m，主要成分為石英長石及暗色礦物，硅質(zhì)膠結(jié)；覆巖的最上層為數(shù)百米的表土層。

2 沿空掘巷煤柱留設(shè)原則

小煤柱是綜放沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分，其穩(wěn)定性決定綜放沿空掘巷的穩(wěn)定性，采用錨桿支護(hù)時(shí)小煤柱寬度應(yīng)滿足以下幾個(gè)原則。

巷道處于應(yīng)力降低區(qū)。當(dāng)巷道位于應(yīng)力降低區(qū)時(shí)，小煤柱及巷道的穩(wěn)定性均較好，所以應(yīng)將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)。

小煤柱內(nèi)部有穩(wěn)定的區(qū)域。上區(qū)段工作面開采和巷道掘進(jìn)，使小煤柱兩側(cè)出現(xiàn)破碎區(qū)，錨桿錨固在破碎煤體中的錨固力小，錨桿支護(hù)作用降低，巷道維護(hù)困難，因此，應(yīng)保證煤柱寬度能夠?qū)㈠^桿錨固在穩(wěn)定煤體中。

有利于巷道圍巖穩(wěn)定。煤柱過窄，不但煤柱破碎、頂煤及實(shí)體煤幫也破碎，巷道圍巖整體性差、承載能力小。因此，并不是小煤柱越小圍巖越穩(wěn)定，小煤柱寬度有一個(gè)合理的值。

采出率高。煤柱越小，采出率越大，在滿足巷道圍巖穩(wěn)定的前提下，盡可能減小小煤柱寬度。

3 煤柱寬度確定

3.1 煤柱寬度理論分析

要保持綜放沿空掘巷的穩(wěn)定性，煤柱的穩(wěn)定與否是關(guān)鍵。

根據(jù)極限平衡理論，合理的最小煤柱寬度：

B=1.15（x1+x2） （1）

其中，B為煤柱寬度，m；

x1為錨桿有效長度，m；

x2為上區(qū)段工作面開采在煤柱中產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)寬度。

（2）

其中，M為上區(qū)段平巷高度，m；A為側(cè)壓系數(shù)；C0和？漬0為煤層內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；k為應(yīng)力集中系數(shù)；H為巷道埋深，m；？酌為巖層平均容重，MN/m3；P0為巷道的支護(hù)強(qiáng)度，MPa。

由現(xiàn)場地質(zhì)條件及實(shí)測數(shù)據(jù)可知，錨桿有效支護(hù)長度x1=2m，上區(qū)段平巷高度M=3.2m，側(cè)壓系數(shù)A=0.4，煤體的內(nèi)聚力C0和？漬0內(nèi)摩擦角分別為2MPa和30°，應(yīng)力集中系數(shù)k=2.0，巷道埋深H=800m，巖層容重？酌=0.025MN/m3，巷道的支護(hù)強(qiáng)度P0=0.25MPa。

將上述參數(shù)代入式（1）和（2）可以求得：深井綜放開采過程中，上區(qū)段開采在煤柱中產(chǎn)生的塑性區(qū)破壞區(qū)寬度為3.08m，合理的最小煤柱寬度B為5.8m。

3.2 煤柱寬度數(shù)值模擬

利用FLAC3D數(shù)值軟件，根據(jù)工作面工程概況，取典型地質(zhì)斷面和實(shí)際地應(yīng)力進(jìn)行建模計(jì)算，分析上工作面回采后，煤體內(nèi)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律。

整個(gè)模型尺寸寬×高×厚為200m×120m×8m，模型上部邊界施加的載荷按采深800m計(jì)算，底部邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，地應(yīng)力根據(jù)實(shí)測地應(yīng)力進(jìn)行施加，豎向地應(yīng)力為23.4MPa，X向水平地應(yīng)力為20.6MPa，Y向水平地應(yīng)力為35.8MPa，模型上部施加經(jīng)應(yīng)力補(bǔ)償?shù)玫降呢Q向均布面荷載，補(bǔ)償值為23.2MPa。

采用摩爾庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，各地層巖性材料參數(shù)如表1所示。

表1 各地層的材料參數(shù)

數(shù)值模型在初始地應(yīng)力平衡之后，進(jìn)行工作面的回采，工作面開采尺寸為寬×高為96m×8m，回采過程一次完成。

從表中可以看出，側(cè)向支承壓力分布可以分為應(yīng)力降低區(qū)（0～10m），應(yīng)力升高區(qū)（10～56m）和原巖應(yīng)力區(qū)（56m以外）。由數(shù)值模擬分析可得，沿空掘巷應(yīng)布置在應(yīng)力降低區(qū)（10m以內(nèi)），結(jié)合沿空掘進(jìn)巷道斷面尺寸，建議煤柱留設(shè)寬度在6m內(nèi)。

根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，確定沿空掘巷煤柱留設(shè)寬度為6m。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

根據(jù)前文的研究成果，留設(shè)6m煤柱寬度進(jìn)行沿空掘巷，采用高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)系統(tǒng)對順槽進(jìn)行支護(hù)。每隔100m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面，監(jiān)測巷道掘進(jìn)期間巷道圍巖變形量。巷道掘進(jìn)過程中，監(jiān)測斷面距迎頭30m范圍內(nèi)，巷道表面位移變形速率較大，幫部的圍巖變形速率達(dá)到50mm/d；之后圍巖變形緩慢增加，監(jiān)測斷面距迎頭120m后圍巖變形逐漸趨于平緩，巷道幫部的變形速率僅為5mm/d。至掘巷完成時(shí)，沿空幫移近量最大為184mm，實(shí)體幫移近量最大為95mm，頂板下沉量最大為78mm，底臌量最大為134mm，。巷道圍巖整體變形量不大，表明煤柱寬度留設(shè)6m是合理的。

5 結(jié)束語

根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，最終確定小煤柱的合理留設(shè)寬度為6m?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，留設(shè)6m煤柱寬度時(shí)，沿空幫移近量最大為184mm，實(shí)體幫移近量最大為95mm，頂板下沉量最大為78mm，底臌量最大為134mm，。巷道圍巖整體變形量不大，表明煤柱寬度留設(shè)6m是合理的。

參考文獻(xiàn)

[1]常聚才，謝廣祥，楊科.綜放沿空巷道小煤柱合理寬度確定[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（2）：226-230.

[2]奚家米，毛久海，楊更社，等.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]聶建偉，王慶牛，徐俊峰.深井孤島工作面沿空掘巷煤柱寬度的確定[J].煤炭工程，2012（6）11-13.

作者簡介：劉敬斌（1984，12-），男，助理工程師，大學(xué)，研究方向：采礦工程。