同忻礦綜放面沿空掘巷小煤柱合理寬度研究

黃慶國

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

區(qū)段煤柱是工作面之間留設(shè)的保護(hù)煤柱，其作用主要是隔離采空區(qū)[1]和保護(hù)回采巷道，煤柱寬度的大小定位了相鄰采面沿空掘巷的位置，煤柱寬度變化差異，呈現(xiàn)在沿空巷道的礦壓顯現(xiàn)不同，決定了巷道支護(hù)的難易[2]；同時(shí)，也影響資源回收率。通常，錯(cuò)開采動(dòng)支承壓力峰值影響區(qū)域是選擇沿空巷道位置即確定煤柱寬度的原則[3-4]。同忻礦現(xiàn)主要開采石炭系3～5號(hào)煤層，該煤層為特厚煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度大、有火成巖侵入，選擇大采高綜合機(jī)械化放頂煤一次采全高采煤方法?；夭蛇^程中留設(shè)的區(qū)段煤柱寬度為38 m，用以隔離相鄰采空區(qū)的水、火、瓦斯等致災(zāi)威脅，保護(hù)回采巷道的使用安全。大煤柱護(hù)巷帶來兩個(gè)問題，煤炭損失大，巷道維護(hù)狀況差。綜放工作面推進(jìn)時(shí)，沿空的區(qū)段平巷受采空區(qū)形成的側(cè)向支承壓力及本采面移動(dòng)超前支承壓力影響，全煤巷道破壞變形嚴(yán)重以至于超過了40%的巷道斷面收縮，錨桿、錨索、鋼帶、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)體系遭受強(qiáng)力損壞，致使采面正規(guī)循環(huán)率顯著降低，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)和礦井產(chǎn)量的穩(wěn)定。因此，開展8305綜放面沿空掘巷護(hù)巷小煤柱寬度研究，為同煤集團(tuán)類似開采條件下的沿空掘巷小煤柱寬度確定提供科學(xué)依據(jù)和工程參考。

1 工程概況

同忻礦8305綜放工作面位于一水平西三盤區(qū)，開采3～5號(hào)煤層，北部為8307工作面采空區(qū)，南部為實(shí)體煤，西部為銀塘溝村保護(hù)煤柱，東部為西三盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷，所對(duì)應(yīng)的的地面標(biāo)高為1306～1395之間，5305巷巷口往里705 m范圍內(nèi)上部對(duì)應(yīng)為同家梁礦侏羅系14號(hào)煤層8904、8902-1、8902-2、8902-3工作面采空區(qū)。705 m至切眼對(duì)應(yīng)上部為白洞礦侏羅系14號(hào)煤層實(shí)煤區(qū)。侏羅系14-2#煤層與石炭系3～5#煤層層間距為184～216 m。8307工作面采空區(qū)范圍內(nèi)與侏羅系上覆14號(hào)煤層間距為175～220 m，2307運(yùn)輸巷所在的范圍內(nèi)，層間距為187～201 m之間。8305工作面和8307采空區(qū)位置，見圖1。侏羅系采空區(qū)于1993～1994年間形成，距今已經(jīng)23年，采空區(qū)已經(jīng)穩(wěn)定。8307工作面回采期間，侏羅系采空區(qū)和上覆巖層有一定損傷，即強(qiáng)度降低，節(jié)理裂隙發(fā)育。后續(xù)計(jì)算8307采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布應(yīng)考慮侏羅系采空區(qū)所附加的覆巖強(qiáng)度和節(jié)理裂隙的影響。

圖1 采空區(qū)和8305面位置關(guān)系

影響沿空掘巷煤柱尺寸的主要控制因素是8307工作面采空區(qū)頂?shù)装鍘r性。8307工作面煤層頂?shù)装迩闆r，見表1。依據(jù)2307巷實(shí)際揭露情況，工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層為緩單斜構(gòu)造，傾角1～2°，未見大的斷層、陷落柱等，本工作面揭露了一條傾角68°、0.3 m落差的正斷層。

表1 8307工作面煤層頂?shù)装迩闆r

2 采空區(qū)側(cè)向煤體內(nèi)極限平衡區(qū)寬度分析

依據(jù)彈塑性力學(xué)理論，結(jié)合同忻煤礦生產(chǎn)實(shí)際條件，分析計(jì)算本礦8307綜采放頂煤工作面回采后、頂板活動(dòng)穩(wěn)定時(shí)形成的側(cè)向支承壓力分布范圍，尤其是側(cè)向支承壓力應(yīng)力降低區(qū)的范圍[5]，為8305工作面沿空掘巷的巷道布置、小煤柱護(hù)巷提供理論依據(jù)。

為準(zhǔn)確可靠地預(yù)測8307工作面?zhèn)认蛑С袎毫?yīng)力降低區(qū)的范圍，對(duì)8307綜采放頂煤工作面圍巖做以下幾個(gè)方面的假設(shè)：

（1）所有巖體為各向同性并且連續(xù)的彈塑性體。

（2）煤體的破壞為剪切破壞，且滿足Mohr-cou?lomb準(zhǔn)則。

（3）簡化研究的空間模型，研究對(duì)象為沿巷道傾斜方向的垂直剖面。

（4）在煤體極限強(qiáng)度位置x=x1處，其應(yīng)力邊界條件為：

式中：β為煤體極限強(qiáng)度所在面的測壓系數(shù)，β=μ/(1 -μ )；μ 為泊松比；α 為煤層傾角，(°)；σx為x方向應(yīng)力，MPa；σy為 y方向應(yīng)力，MPa；σyi為煤柱的極限強(qiáng)度（即支承壓力峰值），MPa。

力學(xué)模型，見圖2。

圖2 煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算力學(xué)模型

圖2中，M為所采煤層的采出厚度，σx為水平方向的應(yīng)力，σy為垂直方向應(yīng)力，σyi為垂直應(yīng)力最大值，τxy為煤層與巖層間剪應(yīng)力，x1為極限平衡區(qū)寬度，α為煤層傾角，px為采空區(qū)施加到護(hù)巷煤柱的束縛力。

求解屈服區(qū)界面應(yīng)力的平衡方程式及邊界條件[6]為：

式中：X和Y分別表示在極限平衡區(qū)內(nèi)的煤體在x和y方向上的體積力，MPa；C0為煤層界面中的黏聚力，MPa；?0為煤層與頂?shù)装褰唤缣幍哪Σ两牵?°)。

通過數(shù)學(xué)變換，聯(lián)立求解屈服區(qū)界面應(yīng)力的平衡方程及邊界條件，可得出采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值離采空區(qū)邊界的距離為：

對(duì)于近水平煤層，煤層傾角α接近于0°，則上式簡化為：

式中：M為煤層開采厚度，m；β為測壓系數(shù)；?0為煤層的內(nèi)摩擦角，(°)；C0為煤層的黏聚力，MPa；px為采空區(qū)對(duì)煤柱的側(cè)向約束力，MPa。

3 應(yīng)力降低區(qū)范圍及小煤柱寬度確定

3.1 基于采厚變化的應(yīng)力降低區(qū)范圍

8305工作面5305巷道的長軸方向?yàn)镹EE，方位角為234.255°，這與同忻井田最大主應(yīng)力方向一致，實(shí)際的側(cè)向壓力為最小主應(yīng)力。煤層平均埋深525 m，覆巖平均容重2.5 t/m3，應(yīng)力集中系數(shù)2.0。依據(jù)同忻井田地應(yīng)力測試結(jié)果得出，β=0.91。煤層內(nèi)摩擦角?0取值28°；煤層的黏聚力C0取值1.80 MPa；采空區(qū)對(duì)煤柱的側(cè)向約束力px取0。將各參數(shù)代入式(6)進(jìn)行計(jì)算，得出側(cè)壓系數(shù)一定的情況下，隨著煤層開采厚度的增加，應(yīng)力降低區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大。工作面平均煤厚12.23 m，通過理論計(jì)算可以看出應(yīng)力降低區(qū)范圍為16.30～17.60 m，見表2。數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示，8307工作面采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力應(yīng)力降低區(qū)范圍為0～16 m，見圖3。與理論分析計(jì)算基本吻合。

表2 不同采厚時(shí)應(yīng)力降低區(qū)范圍

3.2 合理煤柱寬度的確定

在平均煤厚12.23 m的情況下，8307工作面采空區(qū)穩(wěn)定后應(yīng)力降低區(qū)的范圍為16.30～17.60 m左右，8305綜放工作面5305回風(fēng)運(yùn)料巷寬度5.5 m，為了保證沿空巷道處于應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)，小煤柱最大寬度為10.80 m。在此基礎(chǔ)上，煤柱越小，圍巖變形越少，但是煤柱寬度要保證能夠有效隔絕采空區(qū)瓦斯、水、氧氣，防止產(chǎn)生安全生產(chǎn)隱患，結(jié)合鄰近塔山礦的小煤柱護(hù)巷留設(shè)經(jīng)驗(yàn)，確定小煤柱寬度6.00 m。

圖3 數(shù)值模擬側(cè)向支承壓力應(yīng)力降低區(qū)范圍

4 結(jié)語

特厚煤層綜放面采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響范圍較普通綜采工作面大，支承壓力的峰值深入煤體以里，應(yīng)力降低區(qū)寬度更大，更有利于沿空掘巷小煤柱的靈活布置，以保證小煤柱護(hù)巷效果和有效隔絕采空區(qū)的安全生產(chǎn)隱患。采用小煤柱留設(shè)技術(shù)，提高了煤炭資源回收率，巷道成型好、回采期間二次維護(hù)量小，而且支護(hù)環(huán)境、安全條件要比留設(shè)大煤柱更好。相比大煤柱工作面，在相同走向長度內(nèi)，每回采一個(gè)小煤柱工作面產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益上億元。