沿空掘巷煤柱合理寬度研究

南 華，李 明

（1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000；2.哈密職業(yè)技術(shù)學(xué)校，新疆哈密839000）

沿空掘巷煤柱合理寬度研究

南 華*1,2，李 明1

（1.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000；2.哈密職業(yè)技術(shù)學(xué)校，新疆哈密839000）

沿空留巷是目前中國(guó)長(zhǎng)臂工作面巷道布置的一種重要形式，而留巷煤柱的合理寬度寬度是該種布置形式成敗的關(guān)鍵。以豫西某礦14191工作面為實(shí)例，采用理論計(jì)算及FLAC3D數(shù)值模擬方法，對(duì)2、3、5、7m四種不同煤柱寬度條件下應(yīng)力分布及巷道變形量等因素進(jìn)行分析，確定合理煤柱寬度，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：通過(guò)理論分析及數(shù)值模擬得到煤柱留設(shè)最優(yōu)寬度為3m;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)及分析得到沿空掘巷留設(shè)3m寬煤柱，在采用錨桿錨索支護(hù)的情況下，掘進(jìn)期巷道穩(wěn)定時(shí)間平均20d左右，兩幫最大移近量為344.7mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?76.67mm；回采期巷道兩幫最大累計(jì)移近量為827mm，頂?shù)装遄畲罄塾?jì)移近量為657.34mm；采用3m寬煤柱的方案是合理可行的，能夠使巷道位于應(yīng)力較低區(qū)域、巷道變形量可控，可以滿(mǎn)足正常生產(chǎn)需求。研究結(jié)果可為類(lèi)似條件礦井提供借鑒。

沿空掘巷；煤柱寬度；FLAC3D

從20世紀(jì)50年代起，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量無(wú)煤柱護(hù)巷研究，主要分為沿空掘巷和沿空留巷2種方法[1-3]。通過(guò)對(duì)沿空掘巷和沿空留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及巷道圍巖控制的研究，在無(wú)煤柱護(hù)巷方面取得了豐碩的成果，這些成果推動(dòng)了沿空掘巷和沿空留巷技術(shù)的發(fā)展[4-7]。由于沿空掘巷與沿空留巷的應(yīng)力環(huán)境以及受采動(dòng)影響不同，兩種巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和巷道圍巖控制方法差異較大。沿空留巷在上區(qū)段工作面回采時(shí)同時(shí)構(gòu)筑，巷道受到采空區(qū)巖層活動(dòng)的影響，同時(shí)在本區(qū)段工作面回采期間受到本區(qū)段工作面超前支承壓力的作用，巷道經(jīng)歷了2次采動(dòng)影響，無(wú)論是巷道頂板還是巷道兩幫都會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈變形，并且底鼓嚴(yán)重，巷道維護(hù)比較困難。而沿空掘巷是在上區(qū)段工作面回采后，采空區(qū)上覆巖層活動(dòng)基本停止、產(chǎn)生穩(wěn)定的采空區(qū)側(cè)向支承壓力后，將巷道布置在采空區(qū)邊緣應(yīng)力降低區(qū)，巷道相對(duì)易于掘進(jìn)和維護(hù)[8]。

沿空掘巷煤柱尺寸雖然可提高煤柱的承載能力，但煤柱留寬過(guò)大，不僅要損失較多煤炭資源，而且也難以保證煤柱處在支承壓力帶影響范圍外;煤柱尺寸偏小，煤柱的穩(wěn)定性差、承載能力低，且巷道也難以維護(hù)。沿空掘巷巷道圍巖的穩(wěn)定性，除了與煤層及巷道圍巖條件有關(guān)，其關(guān)鍵還與煤柱尺寸的大小能否使支護(hù)結(jié)構(gòu)體與巷道圍巖形成具有一定承載能力的支護(hù)整體[9]。因此，合理煤柱寬度的選取既要使巷道在礦壓影響下能夠保證巷道圍巖的基本穩(wěn)定，又要盡可能地防止資源浪費(fèi)，提高資源回收率。在工程實(shí)踐中，煤柱的穩(wěn)定性不僅關(guān)系到巷道是否能夠成功掘進(jìn)，而且對(duì)巷道維護(hù)也起著至關(guān)重要的作用。

本文結(jié)合具有代表性的豫西某礦地質(zhì)條件，從理論計(jì)算上分析采空區(qū)側(cè)向支承壓力的峰值位置和較為理想的煤柱寬度，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)采空區(qū)側(cè)向支承壓力的分布情況做具體研究，通過(guò)對(duì)比分析無(wú)支護(hù)下不同煤柱寬度巷道在掘進(jìn)及回采期間的巷道圍巖穩(wěn)定性，得到數(shù)值模擬下比較理想的煤柱寬度，結(jié)合理論分析結(jié)果，根據(jù)沿空巷道的煤柱留設(shè)原則，最終確定沿空掘巷的煤柱寬度。并把分析得到的煤柱寬度應(yīng)用于工程實(shí)踐，通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道在掘進(jìn)及回采期間圍巖的位移量，判斷巷道是否符合生產(chǎn)需要，進(jìn)而判斷沿空掘巷的煤柱寬度是否合理。

1 礦井及工作面概況

豫西某礦位于河南西部，開(kāi)采的煤層為二疊系山西組二1煤，采用斜井上下山開(kāi)拓，井口標(biāo)高+305m，一水平標(biāo)高為+150～-50m，二水平標(biāo)高為-50～-200m。目前正在開(kāi)采一水平，該水平分為東西兩翼進(jìn)行開(kāi)采，西翼有12、14采區(qū)，東翼有11、13、15采區(qū)。煤層的平均厚度4.8m。井田東部以F2及F29斷層為界，西部以第三勘探線(xiàn)為界，深部以二1煤層底板-200m等高線(xiàn)為界，淺部以二1煤層底板+150m等高線(xiàn)為界。二1煤層走向長(zhǎng)度為15.5km，傾向?qū)挾葹?.5km，煤層面積為53.59km2。

此次研究的沿空掘巷為14191工作面上巷。14采區(qū)位于該礦井的一水平西翼，西為16采區(qū)，東鄰12采區(qū)。采區(qū)內(nèi)設(shè)置有3條下山，分別為專(zhuān)用回風(fēng)下山、皮帶下山和軌道下山。其中14191工作面位于14采區(qū)下山東翼，上部與14171工作面階段煤柱相鄰，下部與14211工作面相鄰；東部與14與12采區(qū)的采區(qū)保護(hù)煤柱相鄰；西部與14采區(qū)下山的保護(hù)煤柱相鄰。工作面地表沒(méi)有水體、村莊。地面平均標(biāo)高為+550m，工作面平均標(biāo)高為-17m，平均埋深為568m，可以開(kāi)采的采面積為87250m2。工作面煤層厚度為0～8.5m，煤層厚度變化較大，煤層平均厚度為4.8m，煤層的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤質(zhì)較軟，煤層傾角為3°～10°，煤層平均傾角為4°。

14191工作面開(kāi)采煤層頂板依次為泥巖、中砂巖、粉砂巖等；煤層底板依次為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、中砂巖、硅質(zhì)泥巖等。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 新安煤礦14191工作面圍巖柱狀圖

2 煤柱合理寬度計(jì)算

目前對(duì)于沿空掘巷煤柱寬度的確定方法主要有3種，即理論分析法、數(shù)值模擬法以及工程類(lèi)比法[10-12]。沿空掘巷的理論分析，主要是根據(jù)巖體的極限平衡理論推導(dǎo)出采空區(qū)側(cè)向支承壓力的分布情況，同時(shí)推導(dǎo)出使巷道圍巖穩(wěn)定程度較好時(shí)的煤柱寬度；數(shù)值模擬法是利用巖土工程模擬軟件，模擬巷道在不同煤柱寬度下巷道圍巖的變形情況，通過(guò)對(duì)比分析巷道在不同煤柱寬度下的穩(wěn)定性、巷道圍巖在多大寬度煤柱下的穩(wěn)定性較好，從而確定煤柱寬度的方法；工程類(lèi)比法是在巷道圍巖中安置測(cè)試儀器，通過(guò)對(duì)巷道圍巖位移及應(yīng)力的數(shù)據(jù)反饋，來(lái)判斷巷道圍巖穩(wěn)定性，并最終確定煤柱寬度的方法。采用理論分析來(lái)計(jì)算并確定煤柱寬度時(shí)，由于研究對(duì)象比較復(fù)雜，建立的力學(xué)模型通常會(huì)忽略一些影響因素，因此沒(méi)有辦法保證計(jì)算結(jié)果的可靠性；數(shù)值模擬具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，可以模擬不同的地質(zhì)條件，可以很直觀(guān)的考察巷道在不同煤柱寬度下或是在不同支護(hù)方式下的巷道圍巖變形情況和應(yīng)力分布特征，雖然數(shù)值模擬計(jì)算能力較強(qiáng)，也很直觀(guān)，但數(shù)值模擬也存在忽略一些影響因素、無(wú)法保證計(jì)算結(jié)果可靠性的問(wèn)題；工程類(lèi)比法是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法掌握煤巖應(yīng)力分布特點(diǎn)，從而為沿空掘巷提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)方面的依據(jù)，同時(shí)通過(guò)對(duì)巷道圍巖位移及應(yīng)力分布的實(shí)測(cè)，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性做出判斷，但由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件的限制，難以對(duì)不同煤柱寬度下煤柱巷道圍巖的變形情況及應(yīng)力分布特點(diǎn)進(jìn)行考察，因此實(shí)施起來(lái)比較困難。本研究主要采用理論分析計(jì)算和數(shù)值模擬。

2.1 理論分析計(jì)算

在考慮錨桿支護(hù)時(shí)，沿空掘巷煤柱寬度的計(jì)算可由式（1）[13-14]得出：

其中X1為上區(qū)段工作面回采后在采空區(qū)側(cè)煤體中的破碎區(qū)寬度，X1可以由式（2）計(jì)算得到：

式中：M——煤層厚度，m；

φ0——煤層界面的內(nèi)摩擦角，（°）；

μ——泊松比；

k——應(yīng)力集中系數(shù)；

c0——煤層界面的粘結(jié)力，MPa；

Px——支架對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，支護(hù)阻力在采空區(qū)側(cè)取值為0；

X2——沿空掘道煤柱一幫錨桿有效長(zhǎng)度，m；

γ——上覆巖層的平均容重，kN/m3；

H——巷道埋深，m；

X3——考慮煤柱穩(wěn)定性而增加的煤柱寬度的富裕量，一般按(X1+X2)值的10%～30%計(jì)算?？紤]到盡量減小煤柱寬度提高煤炭回收率，同時(shí)考慮到保證煤柱穩(wěn)定性的要求，該處X3取(X1+X2)的15%進(jìn)行計(jì)算。

該公式考慮了煤層采高、側(cè)壓系數(shù)、煤層界面的內(nèi)摩擦角、煤層界面的粘結(jié)力、應(yīng)力集中系數(shù)等因素的影響，適用于采用錨桿支護(hù)的沿空巷道。將相關(guān)參數(shù)帶入上述公式，就能夠得到沿空掘巷煤柱寬度的理論計(jì)算值。根據(jù)新安煤礦14191工作面具體情況，取M= 4.8m，β=0.49，μ=0.33，φ0=20°，c0=2.6MPa，k= 1.1，γ=25kN/m3，H=560m，Px=0，X2=2m。將數(shù)據(jù)代入式（2）可得X1=1.1m，取錨桿有效長(zhǎng)度X2為2m，X3則為0.15（X1+X2），煤柱寬度為1.15（1.1+2）=3.57m。

2.2 數(shù)值模擬分析

本研究采用美國(guó)ITASCA公司推出的FLAC3D巖土工程分析軟件。由于煤層傾角較小，屬近水平煤層，因此本次模擬不考慮煤層傾角的影響。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本研究對(duì)留2m、3m、5m、7m四種煤柱寬度的巷道進(jìn)行沿空掘巷的模擬實(shí)驗(yàn)，在無(wú)支護(hù)情況下對(duì)巷道回采階段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果中巷道圍巖的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力來(lái)評(píng)價(jià)巷道圍巖在留不同煤柱寬度時(shí)的穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)不同煤柱寬度巷道模擬結(jié)果的對(duì)比分析，確定合理的煤柱寬度。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

針對(duì)沿空掘巷工程特點(diǎn)，對(duì)數(shù)值模擬做下列假設(shè)：

（1）上區(qū)段工作面回采后，采空區(qū)內(nèi)巖層活動(dòng)的影響已經(jīng)結(jié)束。應(yīng)力得到重新分布并基本穩(wěn)定。

（2）掘巷前上區(qū)段采空區(qū)頂板已經(jīng)壓實(shí)，并形成穩(wěn)定的側(cè)向砌體梁結(jié)構(gòu)。

（3）煤巖體受力變形后，煤巖體力學(xué)參數(shù)不變。

由于垂直應(yīng)力是造成巷道兩幫圍巖水平位移的主要因素，而水平應(yīng)力是造成巷道頂?shù)装鍑鷰r垂直位移的主要因素，因此在分析巷道兩幫圍巖的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，重點(diǎn)分析巷道兩幫圍巖的垂直應(yīng)力，而在分析巷道頂?shù)装宓膰鷰r狀態(tài)時(shí)，重點(diǎn)分析巷道頂?shù)装鍑鷰r的水平應(yīng)力。

回采期間巷道煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力及水平位移會(huì)發(fā)生新的變化。圖2為回采期間煤柱水平位移曲線(xiàn)，圖3為回采期間煤柱垂直應(yīng)力曲線(xiàn)。

圖2 回采期間巷道煤柱水平位移曲線(xiàn)

圖3 回采期間巷道煤柱垂直應(yīng)力曲線(xiàn)

由圖2可以看出：

（1）回采期間巷道煤柱向采空區(qū)的位移隨煤柱寬度的增大而增大，其中2m煤柱向采空區(qū)的水平位移為229mm，其中3m煤柱向采空區(qū)的水平位移為233mm，其中5m煤柱向采空區(qū)的水平位移為339mm，其中7m煤柱向采空區(qū)的水平位移為435mm。

（2）回采期間煤柱向巷道內(nèi)的位移隨煤柱寬度的增大而增大，其中2m煤柱向巷道內(nèi)的水平位移為49mm，其中3m煤柱向巷道內(nèi)的水平位移為242mm，其中5m煤柱向巷道內(nèi)的水平位移為462mm，其中7m煤柱向巷道內(nèi)的水平位移為590mm。

（3）回采期間，2m煤柱幾乎整體向采空區(qū)一側(cè)移動(dòng)，煤柱內(nèi)沒(méi)有相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域。3、5、7m煤柱都有相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域。

由圖3可以看出：

（1）回采期間2m煤柱沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力峰值，而3、5、7m煤柱，均出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力峰值，并且應(yīng)力峰值的位置都偏向巷道一側(cè)。其中3m煤柱峰值位置為距采空區(qū)1.61m處，峰值大小為2.54MPa；5m煤柱峰值位置為距采空區(qū)2.88m處，峰值大小為5.21MPa；其中7m煤柱峰值位置為距采空區(qū)4.33m處，峰值大小為8.87MPa。

（2）煤柱應(yīng)力峰值的出現(xiàn)說(shuō)明回采期間煤柱內(nèi)形成了穩(wěn)定的承載區(qū)，由此可知，回采期間2m煤柱沒(méi)有相對(duì)穩(wěn)定的承載區(qū)域，承載能力較差，而3、5、7m煤柱有相對(duì)穩(wěn)定的承載區(qū)，承載能力較好。

3 煤柱合理寬度確定

沿空巷道煤柱寬度的選取是沿空掘巷的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。煤柱的穩(wěn)定性關(guān)系到沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。合理的煤柱寬度的選取應(yīng)符合以下幾個(gè)方面：

（1）所留煤柱內(nèi)有穩(wěn)定的區(qū)域。受采空區(qū)側(cè)向支承壓力的作用以及巷道掘進(jìn)的影響，煤柱兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)破碎區(qū)，如果煤柱寬度過(guò)小，煤柱可能整體均為破碎區(qū)，這樣煤柱承載能力和穩(wěn)定性都較差，并且將錨桿安置在破碎煤柱內(nèi)時(shí)錨桿錨固力較小，錨桿支護(hù)作用較差，因此應(yīng)保證所留煤柱內(nèi)有較為穩(wěn)定的區(qū)域。

（2）所留煤柱應(yīng)有利于巷道的穩(wěn)定性。煤柱寬度過(guò)小時(shí)，煤柱破碎、煤柱承載能力較小、巷道圍巖穩(wěn)定性較差。因此應(yīng)選擇合適的煤柱寬度保證煤柱的穩(wěn)定性。

（3）巷道盡量布置在低應(yīng)力區(qū)。上區(qū)段采空區(qū)圍巖活動(dòng)結(jié)束后，在本區(qū)段煤體內(nèi)部形成穩(wěn)定的采空區(qū)側(cè)向支承壓力，按照側(cè)向支承壓力的分布情況可將本區(qū)段工作面煤體分應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)以及原巖應(yīng)力區(qū)，巷道應(yīng)布置在應(yīng)力較低的地區(qū)，這樣有利于減小煤柱寬度并利于維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定。

（4）盡量提高采出率。所留設(shè)的煤柱在保證巷道圍巖基本穩(wěn)定的條件下，應(yīng)盡量減小煤柱寬度提高煤炭采出率。

根據(jù)圖2中回采期間煤柱內(nèi)水平位移曲線(xiàn)可以看出，回采期間2m煤柱整體向采空區(qū)一側(cè)移動(dòng)，說(shuō)明2m煤柱內(nèi)沒(méi)有形成穩(wěn)定的承載區(qū)。根據(jù)圖2中回采期間巷道圍巖移近量可以看出，巷道圍巖移近量在回采階段都呈現(xiàn)出隨煤柱寬度增大而增加的趨勢(shì)。根據(jù)圖3回采期間2m煤柱沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力峰值，而3、5、7m煤柱，均出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力峰值。煤柱應(yīng)力峰值的出現(xiàn)說(shuō)明回采期間煤柱內(nèi)形成了穩(wěn)定的承載區(qū)，由此可知，回采期間2m煤柱沒(méi)有相對(duì)穩(wěn)定的承載區(qū)域，承載能力較差，而3、5、7m煤柱有相對(duì)穩(wěn)定的承載區(qū)，承載能力較好。

由于3m煤柱在回采期間出現(xiàn)了相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，有穩(wěn)定的承載能力，同時(shí)3m煤柱巷道在掘進(jìn)及回采期間的的圍巖移近量均較小，考慮到3m煤柱內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)較為穩(wěn)定的承載區(qū)，工程實(shí)踐中錨桿也能夠在煤柱中實(shí)現(xiàn)有效的支護(hù)，因此在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)加強(qiáng)巷道支護(hù)來(lái)維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定性；同時(shí)考慮提高煤炭回收率的原則，確定該沿空巷道合理煤柱寬度為3m。

4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)及分析

為驗(yàn)證理論分析及數(shù)值模擬確定的煤柱寬度3m的合理性，在14191工作面上巷內(nèi)布置3個(gè)測(cè)站，測(cè)站布置在距掘進(jìn)頭5m處的位置（14191工作面上巷全長(zhǎng)726m，該處所指掘進(jìn)頭據(jù)巷道口352m），測(cè)站間距10m，每站設(shè)置4測(cè)點(diǎn)，2d觀(guān)測(cè)一次，觀(guān)測(cè)兩幫及頂?shù)装逡平?，觀(guān)測(cè)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 掘進(jìn)期間巷道圍巖相對(duì)位移曲線(xiàn)

從觀(guān)測(cè)的結(jié)果可以看出：（1）在掘進(jìn)巷道期間兩幫及頂?shù)装鍑鷰r穩(wěn)定時(shí)間平均為20d左右，兩幫最大相對(duì)移近量平均為344.7mm，頂?shù)装遄畲笙鄬?duì)移近量為276.67m；（2）回采期間，隨著工作面與站點(diǎn)距離的靠近，巷道的變形量不斷增大，3站點(diǎn)的巷道兩幫最大累積相對(duì)移近量平均值為827mm，頂?shù)装遄畲罄塾?jì)移近量為657.34mm。由此可見(jiàn)，巷道雖然在掘進(jìn)期和回采過(guò)程中發(fā)生了一定的變形，但是巷道兩幫及頂?shù)装宓囊平吭诳煽氐姆秶鷥?nèi)，可以滿(mǎn)足正常生產(chǎn)對(duì)巷道的要求。

圖5 回采期間巷道圍巖累計(jì)相對(duì)位移曲線(xiàn)圖

5 結(jié)論

（1）基于煤柱寬度選取的基本原則，根據(jù)在回采中的煤柱內(nèi)必須有較好的承載能力和相對(duì)穩(wěn)定的承載區(qū)；結(jié)合理論分析的合理煤柱寬度結(jié)果，考慮到工程實(shí)踐的支護(hù)，確定該突出煤層條件下沿空掘巷的煤柱的最優(yōu)寬度為3m。

（2）現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：沿空掘巷留設(shè)3m寬煤柱，掘進(jìn)期穩(wěn)定時(shí)間平均20d左右，兩幫最大相對(duì)移近量平均為344.7mm，頂?shù)装遄畲笙鄬?duì)移近量為276.67m；回采期兩幫最大累計(jì)移近量為827mm，頂?shù)装遄畲罄塾?jì)移近量為657.34mm，可以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

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TD263

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1004-5716(2015)10-0062-05

2015-03-02

2015-03-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51074066）；新疆自治區(qū)科技支疆項(xiàng)目（2013911038）。

南華（1976-），男（漢族），河南范縣人，博士，副教授，現(xiàn)從事煤礦安全、高效開(kāi)采的相關(guān)研究和教學(xué)工作。