深部厚煤層工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究

米文寶魏 輝（.河北煤礦安全監(jiān)察局冀東監(jiān)察分局，河北省唐山市，063000；.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，66000）

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深部厚煤層工作面沿空掘巷合理煤柱尺寸研究

米文寶1魏 輝2
（1.河北煤礦安全監(jiān)察局冀東監(jiān)察分局，河北省唐山市，063000；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東省青島市，266000）

摘 要針對(duì)唐山煤礦Y485里工作面沿空掘巷留設(shè)煤柱尺寸問(wèn)題，分析了采空區(qū)側(cè)的支承壓力分布規(guī)律，初步探究了沿空側(cè)最優(yōu)掘巷位置。通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬對(duì)采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力分布進(jìn)行模擬計(jì)算，得出了應(yīng)力降低區(qū)范圍為0～8 m，并分別模擬了不同煤柱寬度下垂直應(yīng)力的分布規(guī)律，綜合考慮確定工作面沿空掘巷煤柱留設(shè)尺寸為5 m，不僅可以保持巷道的穩(wěn)定性，還可以最大限度的減少煤炭資源的損失。

關(guān)鍵詞深部開(kāi)采 厚煤層 沿空掘巷 煤柱尺寸 數(shù)值模擬

在深部開(kāi)采過(guò)程中，受到高地應(yīng)力、高地溫、高瓦斯等影響，開(kāi)采難度逐漸增加。因此，為了最大限度地開(kāi)采深部煤炭資源，必須進(jìn)行合理的開(kāi)采設(shè)計(jì)，將遺留的煤炭量減小到最低程度。在深部工作面開(kāi)采期間，相鄰工作面之間的煤柱留設(shè)問(wèn)題在開(kāi)采設(shè)計(jì)中尤為重要，煤柱寬度留設(shè)不合理將會(huì)影響工作面采掘期間巷道的穩(wěn)定性。煤柱寬度較小時(shí)，巷道對(duì)支護(hù)的要求就會(huì)提高；煤柱寬度較大時(shí)，不僅增加煤柱的承受載荷，而且浪費(fèi)寶貴的煤炭資源。尤其是在深部厚煤層礦井中，煤柱留設(shè)不合理會(huì)導(dǎo)致巷道變形加劇、支護(hù)困難、沖擊地壓頻發(fā)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響工作面的安全開(kāi)采。

目前，已有許多專(zhuān)家對(duì)煤柱的留設(shè)寬度進(jìn)行了研究，但大都是常規(guī)情況下的煤柱留設(shè)寬度，對(duì)深部厚煤層條件下的煤柱留設(shè)寬度研究較少，而具有深部和厚煤層雙重復(fù)雜條件下的工作面煤柱留設(shè)將會(huì)更加困難，不僅要考慮最優(yōu)留設(shè)寬度，還要防止深部高地應(yīng)力導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。本文以唐山礦Y485里工作面為研究對(duì)象，對(duì)工作面之間的煤柱最優(yōu)留設(shè)寬度進(jìn)行研究，在保證巷道穩(wěn)定的前提下，設(shè)計(jì)最優(yōu)的煤柱尺寸，確保工作面的安全開(kāi)采，并節(jié)省大量煤炭資源。

1　工作面概況

唐山礦Y485里工作面開(kāi)采深度平均850 m，開(kāi)采煤層為8#、9#合采煤層。工作面走向長(zhǎng)度762.5 m，傾向長(zhǎng)度130 m。煤層厚度平均7 m，煤層平均傾角24°，普氏硬度系數(shù)1.97。煤塊呈條帶狀，破碎后呈不規(guī)則狀斷口，煤層中含有夾矸，局部受斷層及沉積影響夾石厚度可達(dá)到3.5 m以上，煤體含水率較低，吸水性極差。Y485里工作面相鄰為Y486里工作面采空區(qū)，具體工作面布置如圖1所示。

圖1　Y485里工作面布置示意圖

煤層直接頂為4.9 m的深灰色粉砂巖，脆性較大，上部含植物化石；基本頂為4.7 m的深灰色細(xì)砂巖，成份以石英為主，局部含鈣質(zhì)，較堅(jiān)硬；煤層直接底為1.4 m的碳質(zhì)泥巖；基本底為平均7.5 m的粉砂巖。

2　采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力分布規(guī)律研究

工作面回采完畢后，在工作面采空區(qū)附近會(huì)出現(xiàn)較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象。因上覆巖層的自重作用和采動(dòng)影響，工作面頂板較堅(jiān)硬的巖層會(huì)出現(xiàn)不同程度的斷裂，這種斷裂過(guò)程直接影響著采空區(qū)周?chē)锏赖姆€(wěn)定性。若在采空區(qū)側(cè)布置下一個(gè)工作面的服務(wù)巷道，巷道受到頂板自重和開(kāi)采擾動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)更加復(fù)雜的應(yīng)力疊加現(xiàn)象。此時(shí)，下個(gè)工作面巷道的開(kāi)挖位置就顯得尤為重要，采空區(qū)和巷道之間的小煤柱則是整個(gè)開(kāi)挖的關(guān)鍵，不僅要維持巷道的穩(wěn)定性，還要使巷道承受較小的集中應(yīng)力，防止開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生沖擊地壓事故。

根據(jù)采空區(qū)側(cè)煤體的受力大小，從采空區(qū)側(cè)依次分為應(yīng)力降低區(qū)（A）、應(yīng)力急增區(qū)（B）、應(yīng)力緩降區(qū)（C）和應(yīng)力原始區(qū)（D），如圖2所示。

圖2　采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力分布曲線

從圖2中可以看出，在采空區(qū)頂板側(cè)向壓力影響下，靠近采空區(qū)邊緣的A區(qū)域煤體處于破碎狀態(tài)，煤體承受的應(yīng)力不大；隨著煤體的破碎程度逐漸減小，煤體所承受的應(yīng)力急速增加，B區(qū)域的應(yīng)力能夠達(dá)到2～3倍的原巖應(yīng)力；C區(qū)域因遠(yuǎn)離采空區(qū)，煤體大部分保持彈性變形狀態(tài)，在側(cè)向支承應(yīng)力達(dá)到峰值后隨距離增加開(kāi)始緩慢下降，逐漸降低至原始應(yīng)力區(qū)D并保持穩(wěn)定。

若要在采空區(qū)側(cè)進(jìn)行下個(gè)區(qū)段的巷道掘進(jìn)工作，首先要保證巷道的穩(wěn)定性，最好將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)。若在A區(qū)域的Ⅰ位置開(kāi)挖巷道，巷道位于側(cè)向應(yīng)力的內(nèi)應(yīng)力區(qū)，屬于應(yīng)力降低區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)布置巷道對(duì)煤體支承壓力的影響較小，引起的圍巖應(yīng)力擾動(dòng)和支承壓力變化不大，不會(huì)引起沖擊地壓事故。若在應(yīng)力增高區(qū)B內(nèi)Ⅱ位置布置巷道，巷道周?chē)募袘?yīng)力與采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力相互疊加后，形成更高的支承壓力，巷道在高應(yīng)力和煤柱應(yīng)力的雙重作用下，就容易發(fā)生煤柱失穩(wěn)，造成巷道的沖擊破壞。

因此，為保證巷道位置的合理選取，就要研究采空區(qū)與巷道之間煤柱的留設(shè)寬度，將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)內(nèi)，不僅能夠保持巷道的穩(wěn)定性，還可以減輕巷道的維護(hù)工作。

3　沿空掘巷煤柱寬度模擬分析

3.1 模型的建立

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬采空區(qū)側(cè)沿空掘巷留設(shè)不同寬度煤柱時(shí)，巷道的變形情況及穩(wěn)定性。根據(jù)Y485里工作面的實(shí)際地質(zhì)情況，建立模型尺寸為200 m×50 m×50 m（長(zhǎng)×寬×高），共劃分為500000個(gè)網(wǎng)格單元。巷道埋深按850 m計(jì)算，在模型頂板施加上覆巖層自重應(yīng)力21.25 MPa，模型四周邊界為單約束邊界，下部邊界為全約束邊界，即水平和垂直方向均固定，上部邊界為自由邊界。采用摩爾－庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，具體巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　煤層頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

3.2 采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力分析

Y486工作面回采結(jié)束后，根據(jù)模型計(jì)算得出工作面采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力的分布規(guī)律如圖3所示。從圖中可以看出，在采空區(qū)邊緣處煤體的垂直應(yīng)力最小，隨著距采空區(qū)邊緣距離的增大，應(yīng)力逐漸增加，在距采空區(qū)邊緣約8～9 m處垂直應(yīng)力有小幅度下降，此區(qū)域?yàn)閼?yīng)力降低區(qū)；在距采空區(qū)約16 m的位置達(dá)到應(yīng)力最大值為45.3 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.38。垂直應(yīng)力在距采空區(qū)40 m左右時(shí)達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)模擬結(jié)果初步判斷，巷道應(yīng)布置在采空區(qū)側(cè)應(yīng)力的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中，在考慮巷道寬度的基礎(chǔ)上，煤柱的寬度應(yīng)小于7～8 m，使得巷道位于低應(yīng)力區(qū)內(nèi)。

圖3　采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力分布曲線

3.3 煤柱留設(shè)寬度分析

根據(jù)沿空側(cè)巷道支護(hù)原則，為使錨桿等起到支護(hù)作用，煤柱不應(yīng)小于3 m。故模擬煤柱寬度分別為3 m，4 m，5 m，6 m和7 m情況下煤柱的垂直應(yīng)力分布，確定最優(yōu)的煤柱尺寸。在煤柱內(nèi)布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出如圖4所示的不同煤柱寬度下的垂直應(yīng)力分布曲線。

圖4　不同煤柱寬度的垂直應(yīng)力曲線

由圖4可知，煤柱寬度3 m時(shí)，因靠近采空區(qū)，煤柱破碎程度較大，所承受的垂直應(yīng)力為14.2 MPa；煤柱寬度4 m時(shí)，煤柱上方垂直應(yīng)力稍微增加，大約為17 MPa；煤柱寬度5 m時(shí)，垂直應(yīng)力最大值達(dá)到18.5 MPa，接近原巖應(yīng)力；當(dāng)煤柱寬度為6～7 m時(shí)，因距采空區(qū)較遠(yuǎn)，煤柱所承受的載荷逐漸增大，最大值分別為21.6 MPa和23.7 MPa，均超過(guò)原巖應(yīng)力，若支護(hù)不合理或受采動(dòng)影響，可能會(huì)發(fā)生沖擊地壓。綜合以上分析，考慮錨桿支護(hù)的極限長(zhǎng)度和資源的合理利用，選擇寬度為5 m的煤柱，不僅能夠最大程度維持巷道的穩(wěn)定性，消除巷道沖擊危險(xiǎn)，而且可以節(jié)省較多的煤炭資源。

4　工程驗(yàn)證

為驗(yàn)證煤柱留設(shè)寬度的合理性，在Y485里工作面運(yùn)輸巷采用十字布樁法進(jìn)行了圍巖變形觀測(cè)，對(duì)頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟窟M(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在約30 d時(shí)巷道頂板下沉量為150 mm，兩幫移近量為230 mm，圍巖變形量基本保持穩(wěn)定，能夠滿足礦井正常生產(chǎn)要求。

5　結(jié)論

（1）根據(jù)采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力的理論分析，在靠近采空區(qū)一定范圍內(nèi)因煤體破碎程度較大，存在應(yīng)力降低區(qū)，考慮煤柱受力原則和巷道便于維護(hù)，應(yīng)將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)內(nèi)，而避免將巷道布置在應(yīng)力增高區(qū)，加大巷道的受壓載荷，增加支護(hù)難度。

（2）利用數(shù)值模擬分析了采空區(qū)垂直應(yīng)力分布曲線，得出應(yīng)力降低區(qū)范圍在0～8 m范圍內(nèi)，并分別研究了煤柱寬度為3 m、4 m、5 m、6 m和7 m條件下煤柱的垂直應(yīng)力變化情況，在巷道支護(hù)要求和資源合理利用的前提下，確定沿空巷道留設(shè)煤柱的最優(yōu)尺寸為5 m，能夠最大程度的保持巷道穩(wěn)定，減小了煤炭資源的損失，保證了巷道的安全使用。

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（責(zé)任編輯 張毅玲）

Research on reasonable pillar width of roadway driving along next goaf in deep and thick seam

Mi Wenbao1，Wei Hui2
（1. Hebei Coal Mine Safety Supervision Bureau Jidong Monitoring Stations，Tangshan，Hebei 063000，China；2.College of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266000，China）

AbstractTo determine the retaining pillar width of roadway driving along next goaf in Y485 inner working face of Tangshan Coal Mine，the distribution law of supporting pressures in roadway beside goaf was analyzed，and the optimal roadway driving position along next goaf was studied.The vertical stress distribution in the roadway beside goaf was calculated by FLAC3D numerical simulation，which concluded that the range of stress-relaxed area was 0～8 m，then the distribution laws of vertical stress under the conditions of different coal pillar widths were simulated.By overall consideration，the pillar width of roadway driving along next goaf was determined as 5 m，which could not only keep the stability of the roadway，but also reduce the waste of coal resources.

Key wordsdeep mining，thick coal seam，roadway driving along next goaf，coal pillar width，numerical simulation

中圖分類(lèi)號(hào)TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

作者簡(jiǎn)介：米文寶（1969－），男，河北唐山人，采煤高級(jí)工程師，現(xiàn)任河北煤礦安全監(jiān)察局冀東監(jiān)察分局主任。