小尺寸煤柱護巷技術工程實踐

楊宇曉，謝麗舉

(1.山西潞安集團 慈林山煤業(yè)有限公司，山西 長治 046605；2.江蘇勵盛建設有限公司，江蘇 徐州 221600)

傳統(tǒng)留設寬煤柱的護巷方法，不利于回采巷道的維護，有時會對煤柱區(qū)域造成應力集中，加大煤柱下方回采維護巷道的難度，甚至導致沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災害事故發(fā)生。工作面回采時，沿著背離采空區(qū)的方向，實體煤應力分布依次為應力降低區(qū)、應力增高區(qū)以及原巖應力區(qū)。因此，在研究留設小煤柱時，應將下一采區(qū)的回采巷道布置在相應的應力降低區(qū)，從而改善回采巷道的受力狀況，使煤柱內的應力分布趨于穩(wěn)定合理化，實現沿空掘巷留設小煤柱護巷的目的。這將會提高礦井煤炭回采率及采場穩(wěn)定性，降低巷道返修率和不必要的維修費用，對礦井的生產建設和經濟效益都具有重要意義。本文主要以長治A煤業(yè)3#煤大采高工作面的護巷煤柱為背景，計算了理論上可行小煤柱的尺寸，模擬分析了小煤柱的應力及變形情況，并通過工程實踐驗證了窄煤柱的可行性[1]。

1 大采高工作面護巷煤柱寬度計算理論[2-3]

采用小煤柱護巷把巷道布置在采空區(qū)邊緣低壓區(qū)內，以達到減輕巷道受壓的目的，同時提高資源回收率。但從回采巷道的支護考慮，煤柱尺寸也不宜過小，煤柱寬度過小，在工作面回采過程中將導致煤柱內破碎區(qū)占的比重增加，加劇煤柱的破壞，這樣即使進行錨桿支護，也是錨固在破碎區(qū)，減弱了錨桿的支護作用，無法形成支護、圍巖共同承載的結構。通過煤柱載荷計算模型的建立和簡化(見圖1)，在考慮煤柱所受載荷小于其極限強度的情況下，確定煤柱尺寸。

圖1 計算煤柱載荷示意圖

式中：

B—煤柱寬度，m；

D—采空區(qū)寬度，m；

H—巷道埋深，m；

δ—采空區(qū)上覆巖層垮落角，(°)；

γ—上覆巖層平均體積力，kN/m3。

煤柱的極限強度計算采用如下公式：

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式中：

R—煤柱強度，MPa；

Rc—煤柱原位臨界立方體單軸抗壓強度，MPa；

B—煤柱寬度，m；

h—煤柱高度，m。

則，煤柱的寬度計算公式為：

2 工程實踐

長治A煤業(yè)3#煤大采高工作面位于井田的東部，向東為井田邊界，向西為采空區(qū)，北側是為3#采區(qū)服務的3條巷道，南部相鄰雄山礦采空區(qū)，地面無建筑物和其它設施。該工作面所采煤層為3#煤，工作面煤層厚度為4.65～5.2 m，平均厚度為5.0 m，煤層傾角2°～7°。煤層含1層夾矸，夾矸厚度0.1 m。本工作面采用走向長壁一次采全高自然垮落后退式綜合機械化采煤方法(大采高綜采技術)，一次采5 m厚煤層。

根據A煤業(yè)3#煤大采高工作面的實際情況，大采高工作面采煤高度為5.0 m，煤柱高度h取3.5 m，煤體的單軸抗壓臨界強度取10 MPa，采空區(qū)上覆巖層垮落角取45°，上覆巖層平均容重取0.025 MN/m3，巷道埋深200 m，采空區(qū)寬度按巷道跨度計算取5 m。以計算理論為基礎，代入上述公式，算出煤柱寬度為5.3 m。也就是說，當煤柱寬度為5.3 m時，煤柱的強度與其極限強度相等，考慮富裕系數后，煤柱寬度取5.8 m。

3 大采高小煤柱穩(wěn)定性巷模型分析[4-5]

3.1 工程模型建立

本次建模304527工作面以回采巷道底板中點為原點，以傾向為X軸，沿工作面傾向取200 m；以走向為Y軸，沿回采巷道走向取300 m;豎向為Z軸,回采巷道頂板向上取26 m，底板向下取了15.1 m。建模模型圖見圖2，以該大采高工作面回風順槽底板中心線為Y軸線，代表工作面走向方向；左右方向為X方向，代表工作面傾向方向；上下分別為大采高工作面頂底板方向。此模型邊界均為固定邊界，在X、Y方向上的初始位移均為0，3045工作面距地面200 m左右，在Z方向，模型的最上端加載計算初始應力場，荷載大小為γH，即上覆巖層容重所施加的豎向載荷約為5 MPa，由于相鄰采空區(qū)頂板已做自行垮落處理，所以，采空區(qū)及其上方賦予彈性值。

圖2 3045工作面數值模擬模型圖

3.2 3045工作面回采期間小煤柱模擬分析

本方案模擬3045回采工作面沿開切眼向前推30 m時，數值模擬計算煤柱內和工作面前方實體煤的應力和位移。回采期間各尺寸煤柱下，垂直應力分布見圖3～6，水平與垂直位移見圖7～14。

圖3 回采時4 m煤柱垂直應力分布圖

圖4 回采時5 m煤柱垂直應力分布圖

圖5 回采時6 m煤柱垂直應力分布圖

圖6 回采時7 m煤柱垂直應力分布圖

圖7 回采時4 m煤柱垂直位移分布圖

圖8 回采時5 m煤柱垂直位移分布圖

圖9 回采時6 m煤柱垂直位移分布圖

圖10 回采時7 m煤柱垂直位移分布圖

圖11 回采時4 m煤柱水平位移分布圖

圖12 回采時5 m煤柱水平位移分布圖

圖13 回采時6 m煤柱水平位移分布圖

圖14 回采時7 m煤柱水平位移分布圖

分析工作面向前推進30 m時得到的不同垂直應力等線圖，可以看出：由于工作面向前推進30 m，在二次采動影響下，煤柱內和回風順槽頂底板的垂直應力都有所增大，比沿空掘巷后所顯現的應力分布要大得多。留設4 m煤柱，當工作面回采30 m時，煤柱內的處置應力增大不多，支承應力峰值為18 MPa左右，普遍在10 MPa左右，然而工作面前方實體煤中的處置應力峰值增長到32 MPa,且大于30 MPa的區(qū)域相當大，回采巷道實體煤側處置應力達到22 MPa；留設5 m煤柱時,煤柱內垂直應力峰值與沿空掘巷時相比略有增加，最大為16 MPa，但垂直應力增大區(qū)較小，煤柱內應力普遍小于8 MPa，接近原巖應力；留設6 m煤柱時，煤柱內垂直應力峰值增長到18 MPa，煤柱應力核心區(qū)較小，接近原巖應力的區(qū)域較大，工作面前方實體煤靠近回采巷側應力最大值為34 MPa，核心區(qū)距巷道內幫有一定距離；留設7 m煤柱時，煤柱內應力核心區(qū)范圍有所增大，最大垂直應力為24 MPa左右，工作面前方實體煤靠近回采巷道側垂直力達到20 MPa。

回采時，留設4 m煤柱最大垂直位移增加到250 mm，最大水平位移為400 mm，頂板下沉量達到350 mm，巷道外幫即煤柱側的移近量達到350～400 mm，有部分達到500 mm；留設5 m煤柱時，回采巷道頂板下沉量略有增加，達到200 mm左右，最大垂直位移為350 mm，位于煤柱上方巖層，最大水平位移增加到350 mm，位于煤柱下方，煤柱向回采巷道的移近量為180 mm左右；留設6 m煤柱時，煤柱內垂直位移峰值與5 m煤柱相當，最大垂直位移為350 mm，位于巷道頂板，煤柱內垂直位移與掘巷后無明顯變化，回采巷道煤柱側的水平位移最大值是350 mm，變形較大區(qū)域較小，大部分區(qū)域水平位移在150 mm左右；留設7 m煤柱時，回采巷道頂板下沉量與掘巷后無明顯變化，最大垂直位移為300 mm，位于巷道頂板，回采巷道煤柱側水平位移比5 m、6 m煤柱時要大，達到450 mm，煤柱變形較大，煤柱向回采巷道移近量進一步增大。

從回采時各尺寸煤柱下的垂直應力、垂直位移和水平位移等值線圖分析來看，回采時，4 m煤柱受二次采動影響較突出，5 m、6 m無較大明顯變化，7 m煤柱垂直應力有較大增加，水平位移較大，尤其是外幫向回采巷道移近量增加明顯。

綜上所述，通過對各尺寸煤柱在沿空掘巷后和工作面向前回采推進時的數值模擬分析可以看出，在這兩種環(huán)境下，煤柱尺寸留設在5 m、6 m時，相對采場穩(wěn)定性較有利?？紤]較小煤柱尺寸設計，兼顧巷道和煤柱穩(wěn)定性，取5 m煤柱合理性較大。

數值模擬結果表明，留設5～6 m煤柱既能滿足維持采場圍巖穩(wěn)定性，也符合經濟技術方面的要求，綜合考慮前述理論計算部分，沿空掘巷小煤柱留設寬度為5.8 m。

3.3 礦壓觀測[6]

針對3045大采高工作面留設5.8 m煤柱，制定了合理的礦壓觀測方案，分別對沿空掘巷后和回采時進行了煤柱內應力分布觀測，對煤柱內支承力的分布進行了分析。3045回風順槽掘進完畢穩(wěn)定后，頂板下沉量達到20 mm，底鼓量為5 mm左右，工作面沿開切眼向前繼續(xù)推進，頂底板相對位移為25～45 mm，兩幫相對位移為45～70 mm(見圖15，圖16)，現場未見明顯底鼓現象，巷道變形量較小，巷道維護效果較好。沿空掘巷后，對3045順槽采取錨桿+金屬網+鋼筋梁+錨索補強聯(lián)合支護[7-8]，對煤柱進行噴漿注漿支護，提高了煤柱的強度，有效地控制了頂底板和兩幫相對位移量。從觀測結果來看，留設5.8 m煤柱時，煤柱內支承力穩(wěn)定分布，煤柱整體保持較穩(wěn)定狀態(tài)，滿足了對頂板的支撐，起到了護巷作用，有利于巷道維護和煤炭資源的高效回收。

4 結 語

1)長治A煤業(yè)大采高沿空掘巷下，小煤柱理論計算寬度在5.8 m左右；數值模擬得到的合理煤柱尺寸范圍是5～6 m；表面噴漿內部注漿加固后的煤柱內深部位移較小，煤柱狀態(tài)相對穩(wěn)定無較大變形。

圖15 回風順槽表面位移曲線圖

2)根據煤柱合理留設的原則，運用理論計算、數值模擬和礦壓實測的煤柱設計方法，特別是數值模擬的方法分析了煤柱不同寬度的條件下巷道圍巖的應力分布規(guī)律，并結合工作面的地質條件，確定了A煤業(yè)大采高小煤柱留設寬度為5.8 m。

3)A煤業(yè)3#煤層大采高工作面回風順槽小煤柱留巷，在使用過程中巷道不需要返修，完全滿足生產要求。從巷道開掘到掘進穩(wěn)定，頂板總離層量約10 mm，表明針對該回風順槽設計的錨桿支護方案的實施較好地控制了回風順槽圍巖變形。

圖16 回風順槽兩幫移近量圖

4)A煤業(yè)3#煤大采高工作面采用沿空掘巷留設小煤柱工業(yè)性試驗的成功，為礦井實現高產高效，提高煤炭采出率，改善巷道維護狀況，降低支護成本，特別是對高應力礦井，提供了可靠的理論依據和技術途徑。

參 考 文 獻

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