沿空雙巷窄煤柱合理寬度研究

陳 凱

(西山煤電西曲礦通風(fēng)五隊，山西 古交 030200)

引 言

為解決工作面瓦斯超限問題，某礦擬采用沿空雙巷布置，即在孤島面端頭布置兩條巷道。采空區(qū)一側(cè)巷道作為專用回風(fēng)巷。此方法的優(yōu)勢在于：一方面改善了工作面通風(fēng)情況，另一方面也提高了煤炭的回收率，避免了資源浪費。但是這種布置方式也帶來了沿空煤柱和巷間煤柱確定合理留設(shè)寬度的問題，煤柱過窄，會導(dǎo)致巷道圍巖變形過大，管理控制困難，容易引發(fā)冒頂?shù)劝踩鹿?；煤柱過寬，又會造成不必要的資源浪費。因此，確定合理的煤柱寬度，對礦井的安全、高效開采十分必要。本文以某礦綜放工作面為研究背景，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，確定沿空雙巷窄煤柱的合理寬度，為相似條件下煤柱尺寸的確定提供了一定的借鑒價值。

1 工程概況

該礦4305工作面主采3#煤層，埋深約440 m，煤層厚度為4.85 m～6.73 m，平均6 m，采用綜合機械化放頂煤的方法開采，采3 m，放3 m，采放比為1∶1；工作面走向長約1 600 m，傾向長約220 m，煤層傾角為3°，屬于近水平煤層，煤層直接頂為2.6 m厚的砂質(zhì)泥巖，基本頂為5.4 m厚的細砂巖，直接底為1.6 m厚的泥巖，基本底為6.8 m厚的石灰?guī)r。其主要巖層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 建立模型

根據(jù)4305工作面綜合柱狀圖和表1所示參數(shù)，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模型。模型長300 m，寬200 m，高80 m，模擬時，首先將鄰近工作面采空，再對沿空巷道進行模擬研究，巷道長4.0 m，高3.0 m，模型如圖1所示。

表1 主要巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 FLAC3D數(shù)值模型

3 沿空煤柱寬度的確定

首先，要確定沿空煤柱(鄰近采空區(qū)一側(cè))的寬度，保持其他條件不變，分別模擬煤柱寬度為4 m、8 m、12 m和16 m時，沿空煤柱的破壞情況[1]。

第162頁圖2為不同沿空煤柱寬度下，巷道圍巖的塑性破壞情況。由圖2可以看出，當(dāng)煤柱寬度為4 m時，巷道圍巖的塑性破壞區(qū)與采空區(qū)形成的塑性破壞區(qū)貫通，煤柱內(nèi)全部受到塑性破壞，不利于巷道的管理控制；當(dāng)煤柱寬度為8 m時，煤柱內(nèi)塑性區(qū)并未貫通，出現(xiàn)2 m左右的彈性核區(qū)，巷道穩(wěn)定性得到明顯改善；當(dāng)煤柱寬度增加至12 m～16 m時，煤柱內(nèi)的彈性核區(qū)增至5 m～8 m，但實體煤一側(cè)的塑性區(qū)范圍，略有增加[2]。

圖2 不同沿空煤柱寬度時的塑性破壞區(qū)

圖3為不同沿空煤柱寬度下的巷道頂板下沉量及兩幫移近量的變化曲線。由圖3可以看出，巷道頂板與兩幫的位移變化趨勢基本相同，隨著煤柱寬度的增加，巷道圍巖的位移逐漸減小。當(dāng)煤柱寬度由4 m增加至8 m時，圍巖位移明顯減小，當(dāng)煤柱寬度由8 m增加至12 m時，減小幅度有所降低，當(dāng)煤柱寬度由12 m增加至16 m時，巷道圍巖位移基本持平，沒有發(fā)生明顯變化。

圖3 不同沿空煤柱寬度下圍巖位移曲線

綜合上述分析，當(dāng)沿空煤柱寬度為8 m時，巷道圍巖破壞和位移情況較好，既能保證巷道的安全穩(wěn)定，又能最大限度的回采煤炭資源，避免浪費。

4 巷間煤柱寬度的確定

在確定沿空煤柱合理寬度后，接下來就要確定巷間煤柱的寬度。在模擬中，要保持沿空煤柱為8 m不變，分別模擬巷間煤柱寬度為4 m、6 m、8 m和10 m時巷道圍巖的破壞和變形情況[3]。

圖4為不同巷間煤柱寬度時巷道圍巖塑性破壞的情況。由圖4可以看出，在巷間煤柱寬度為4 m時，煤柱內(nèi)塑性區(qū)連成一片，煤柱變形較大，不利于巷道的支護；當(dāng)煤柱寬度增加至6 m時，煤柱內(nèi)塑性區(qū)未貫通，出現(xiàn)約1 m左右的彈性核區(qū)；當(dāng)煤柱寬度增加至8 m和10 m時，彈性核區(qū)寬度進一步增加，分別為3 m和5 m，巷道穩(wěn)定性得到明顯改善。隨煤柱寬度的增加，巷道底板的變形情況基本不變[4]。

圖4 不同巷間煤柱寬度時的塑性破壞區(qū)

圖5為不同巷間煤柱寬度下巷道頂板下沉量和兩幫移近量的變化曲線。由圖5可以看出，其變化趨勢基本相同，都隨煤柱寬度的增加而逐漸減小。

圖5 不同巷間煤柱寬度下圍巖位移曲線

其中，當(dāng)煤柱寬度由4 m增加至6 m時，位移變化速率較快，煤柱由6 m增加至8 m時，變化幅度就明顯減小，當(dāng)煤柱寬度由8 m增加至10 m時，變化幅度進一步縮小。由此推測，隨煤柱寬度增加，圍巖位移變化幅度逐漸縮小，最終保持穩(wěn)定，因此，沒有必要進一步增加煤柱的寬度[5]。

綜合前面的分析，巷間煤柱為6 m時，巷道圍巖破壞變形較小，可以滿足礦井正常生產(chǎn)的需要。

5 結(jié)論

根據(jù)某礦綜放工作面的實際情況，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，得出以下結(jié)論：

1) 隨煤柱寬度的增加，巷道頂板和兩幫的變形破壞逐漸減小，其變化的幅度也逐漸變緩；

2) 沿空煤柱為8 m，巷間煤柱為6 m時，基本可以保持巷道圍巖的穩(wěn)定，保障工作面的正常生產(chǎn)。

在礦井實際生產(chǎn)中，留設(shè)煤柱寬度，通過合理的支護設(shè)計，巷道圍巖變形很小，未發(fā)生安全事故，在保證安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，最大限度的回采了煤炭資源。

參考文獻：

[1] 司鑫炎,王文慶,邵文崗.沿空雙巷合理煤柱寬度的數(shù)值模擬研究[J].采礦與安全工程學(xué)報,2012,29(2):215-219.

[2] 許國安,靖洪文,丁書學(xué),等.沿空雙巷窄煤柱應(yīng)力與位移演化規(guī)律研究[J].采礦與安全工程學(xué)報,2010,27(2):160-165.

[3] 余學(xué)義,王琦,趙兵朝,等.大采高雙巷布置工作面巷間煤柱合理寬度研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2015,34(S1):3328-3336.

[4] 侯圣權(quán),靖洪文,楊大林.動壓沿空雙巷圍巖破壞演化規(guī)律的試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2011,33(2):265-268.

[5] 李永恩,鎬振,李波,等.雙巷布置留巷圍巖塑性區(qū)演化規(guī)律及補強支護技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2017,45(6):118-123.