窄煤柱沿空掘巷合理煤柱寬度的確定

張文峰

（大同煤礦集團(tuán)忻州窯礦，山西 大同 037000）

采用雙“U”型通風(fēng)方式時(shí)，工作面回采的同時(shí)，往往將工作面的外圈巷道通過(guò)一定的技術(shù)措施保留下來(lái)，當(dāng)作下一個(gè)工作面的外圈巷道，即在兩個(gè)工作面中間保留一條巷道，供兩個(gè)工作面使用，中間保留下來(lái)的巷道要為兩個(gè)工作面開(kāi)采服務(wù)，服務(wù)年限相對(duì)較長(zhǎng)，且同時(shí)又要經(jīng)歷兩次采動(dòng)影響，若中間巷道兩側(cè)保護(hù)煤柱的寬度留設(shè)或設(shè)計(jì)不合理、不科學(xué)，中間預(yù)留巷道將受到兩側(cè)工作面采動(dòng)高應(yīng)力疊加作用的影響，使其維護(hù)相當(dāng)困難。

預(yù)留巷道保護(hù)煤柱寬度對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響主要有兩個(gè)方面：一是煤柱寬度影響巷道圍巖應(yīng)力；二是煤柱寬度影響巷道圍巖完整性。具體可分為：圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和窄煤柱的穩(wěn)定性原理。

1 試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件

15104工作面開(kāi)采煤層為15#煤層。煤層厚度較穩(wěn)定，煤質(zhì)比較松軟，15#煤層煤厚平均4.5m，煤層中部存在0.8m夾矸、泥巖，煤層傾角0～8.3°，平均傾角2.5°。

由15104工作面內(nèi)鉆孔資料可知：15#煤直接頂以砂質(zhì)泥巖～粉砂巖為主，厚4.6m。老頂為粗粒砂巖，厚7.65m，淺灰色，厚層狀，以石英為主，長(zhǎng)石次之，含巖屑，以大型鍥狀交錯(cuò)層理為主。直接底為厚3.5m的泥巖，黑色，厚層狀。老底為厚8.0m粉砂巖，黑色，薄層狀，含泥巖包體。

沿煤層頂板掘進(jìn)15104工作面瓦排尾巷，巷道斷面為矩形，高2.8m，寬4.0m，斷面積11.2m2。總體趨勢(shì)為一背斜構(gòu)造，北翼坡度較緩為0.4°左右，坡長(zhǎng)579m；南翼坡度較大為3.2～8.3°，坡長(zhǎng)415m，落差32m。15104工作面回采后，15104瓦排尾巷被留巷作為下一工作面15102瓦排尾巷繼續(xù)使用，15102工作面采用“兩進(jìn)兩回”巷道布置方式，距瓦排尾巷遠(yuǎn)離15104工作面采空區(qū)一側(cè)留窄煤柱掘進(jìn)15102工作面回風(fēng)巷，回風(fēng)巷為矩形斷面，寬為4.8m，高為3.6m，斷面積17.28m2。15104、15102工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 15102工作面平面圖

2 窄煤柱寬度的數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 模型的建立及計(jì)算方案

上區(qū)段回采后，瓦排尾巷一側(cè)為距采空區(qū)的大煤柱，一側(cè)為實(shí)體煤。本區(qū)段工作面回風(fēng)巷布置在上區(qū)段瓦排尾巷實(shí)體煤一側(cè)，巷道掘進(jìn)后形成的區(qū)段煤柱受上區(qū)段側(cè)向支承壓力和巷道掘進(jìn)支承壓力的影響。

圖2 數(shù)值模擬力學(xué)模型

模型采用摩爾—庫(kù)侖（Mohr-Coulomb)屈服準(zhǔn)則：

式中：

σ1-最大主應(yīng)力；

σ3-最小主應(yīng)力；

c-材料的粘結(jié)力；

φ-材料的摩擦角。

當(dāng)fS＜0時(shí)，材料將發(fā)生剪切破壞。

影響窄煤柱穩(wěn)定性的因素較多，考慮基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)形成前掘巷，煤柱寬度合理范圍，應(yīng)避開(kāi)回采15102形成的應(yīng)力峰值。從15104工作面回采對(duì)瓦排尾巷的影響情況看，瓦排尾巷由于受15104工作面采動(dòng)支承壓力作用，巷道變形量較大。為了留巷成功并為15102工作面通風(fēng)服務(wù)，在15104工作面回采時(shí)對(duì)瓦排尾巷用木垛進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)以往25m煤柱留巷的經(jīng)驗(yàn)，瓦排尾巷受二次采動(dòng)影響期間巷道圍巖變形劇烈，給安全生產(chǎn)帶來(lái)不便，采用窄煤柱留巷，將巷道布置在支承壓力降低區(qū)，有利于巷道維護(hù)。為了確保窄煤柱留巷的成功實(shí)施，需要對(duì)瓦排尾巷進(jìn)行加固支護(hù)，提出采用全錨索支護(hù)技術(shù)，即采用加長(zhǎng)錨固方式的高預(yù)緊力高強(qiáng)度大延伸率錨索支護(hù)。

根據(jù)巷道開(kāi)挖應(yīng)力分布研究，為防止巷道周邊應(yīng)力集中，煤柱設(shè)計(jì)寬度應(yīng)不小于掘進(jìn)巷道荒寬的一倍。根據(jù)15102工作面實(shí)際生產(chǎn)情況及地質(zhì)條件，在巷道頂板采用全錨索支護(hù)的情況下，只考慮煤柱寬度對(duì)巷道變形的影響，分別留設(shè)6m、7m、8m、10m、12m、14m、20m煤柱，各方案按照相應(yīng)煤柱寬度模擬計(jì)算。

2.2 窄煤柱內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)分布特征

取煤柱高度一半的中部層位研究煤柱內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)分布情況。掘進(jìn)期間沿煤柱寬度方向的水平應(yīng)力分布見(jiàn)圖3。

圖3 掘巷期間煤柱內(nèi)水平應(yīng)力分布

煤柱邊緣因巷道掘進(jìn)、開(kāi)挖影響，水平應(yīng)力減小。實(shí)驗(yàn)表明，巖石強(qiáng)度在三軸狀態(tài)下明顯大于二軸狀態(tài)，所以煤柱內(nèi)水平應(yīng)力是影響煤柱強(qiáng)度的重要因素。由圖3可見(jiàn)，煤柱由6m逐步增大到20m時(shí)，水平應(yīng)力在煤柱內(nèi)的分布特征顯示，其應(yīng)力為“單峰”現(xiàn)象，存在一個(gè)先增加后減小的過(guò)程。煤柱寬度從6m開(kāi)始增加，煤柱內(nèi)水平應(yīng)力開(kāi)始逐漸增大，且峰值出現(xiàn)在煤柱中部，煤柱寬度為6m時(shí)水平應(yīng)力峰值僅為8MPa，20m時(shí)則達(dá)到了18.2MPa，煤柱內(nèi)水平應(yīng)力的增加顯著提高了煤柱承載強(qiáng)度，有利于煤柱的穩(wěn)定及留巷。

2.3 煤柱內(nèi)垂直位移場(chǎng)分布特征

回風(fēng)巷掘進(jìn)期間煤柱在垂直方向上的位移特征如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，本區(qū)段回風(fēng)巷掘進(jìn)后，區(qū)段護(hù)巷煤柱隨即產(chǎn)生，根據(jù)煤柱內(nèi)位移變化規(guī)律可知：煤柱整體不同程度存在下沉現(xiàn)象，其中兩側(cè)比較嚴(yán)重，尤其瓦排尾巷一側(cè)最突出。煤柱垂直位移最大的位置不是在煤柱表面，也不是在煤柱中部，而是距煤柱表面2～3m范圍內(nèi)，說(shuō)明幫錨桿可以有效控制煤柱的水平位移，但很難控制煤柱的下沉作用。隨著煤柱寬度的增加，煤柱下沉量明顯減小，煤柱寬度小于7m時(shí)，煤柱最大下沉量為22mm，寬度為8～12m時(shí)，煤柱最大下沉量減小為13mm，煤柱大于14m后，最大下沉量約為6mm。

圖4 掘巷期間煤柱內(nèi)垂直位移分布曲線

2.4 煤柱寬度對(duì)瓦排尾巷變形影響分析

瓦排尾巷的受力環(huán)境和15102區(qū)段煤柱一樣，同樣受兩次采動(dòng)影響。從根本上說(shuō)煤柱的穩(wěn)定最終是為瓦排尾巷服務(wù)。

煤柱寬度影響巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)、位移場(chǎng)分布。巷道圍巖變形與煤柱寬度的關(guān)系見(jiàn)表1和圖5。

表1 回采期間煤柱寬度與巷道圍巖變形關(guān)系

圖5 不同煤柱寬度掘進(jìn)期間瓦排尾巷圍巖位移

由表1、圖5可見(jiàn)，煤柱寬度對(duì)瓦排尾巷圍巖變形的影響為：本區(qū)段回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，瓦排尾巷以頂板下沉和下幫變形為主。隨著煤柱寬度的增加，頂板下沉和底鼓逐漸減小，下幫變形也逐漸減小，上幫變形先增大后減小。巷道掘進(jìn)期間，瓦排尾巷圍巖變形量較小，而工作面回采過(guò)程，瓦排尾巷圍巖變形強(qiáng)烈。

（1） 頂板下沉：隨煤柱寬度增大巷道頂板下沉量減小；煤柱寬6～7m時(shí)下沉量為700mm；煤柱寬8～10m時(shí)下沉量降低為500mm；當(dāng)煤柱為12m時(shí)出現(xiàn)一個(gè)極大值，大于14m后下沉量明顯減小且變化不大，約為200～300mm。

（2）底鼓：煤柱6～7m時(shí)底鼓量逐漸增加，7m時(shí)達(dá)到最大值1550mm；之后煤柱寬度增加底鼓量持續(xù)減小，8～10m時(shí)減小為1200mm，大于12m變化不明顯。

（3） 兩幫移近量：隨煤柱寬度的增加上幫變形先增大后減小，最大變形量為煤柱寬7m時(shí)197mm，煤柱大于12m后變形量減小為87mm；隨煤柱寬度增大下幫水平位移減小，煤柱為6m時(shí)最大值730mm，10m時(shí)出現(xiàn)變形極大值600mm，大于14m后下幫變形減小為152mm，隨煤柱繼續(xù)增大位移量變化不明顯。

3 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)沿空掘巷煤柱內(nèi)應(yīng)力及位移進(jìn)行了研究。

（1）窄煤柱寬度小于7m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力較小且分布不規(guī)則，說(shuō)明煤柱破壞嚴(yán)重，承載力低。

（2）15102回風(fēng)巷掘進(jìn)期間，煤柱瓦排尾巷一側(cè)變形比回風(fēng)巷要大，但變形量較小，說(shuō)明受影響較小。

（3）巷道表面變形情況：本區(qū)段回采期間，瓦排尾巷底鼓量隨煤柱寬度的增加先減小后增加，窄煤柱幫也有同樣的變形規(guī)律，當(dāng)煤柱寬度為8～10m時(shí)，瓦排尾巷變形量出現(xiàn)一個(gè)極小值。

（4）綜合確定15104瓦排尾巷和15102回風(fēng)巷之間合理窄煤柱寬度為8m，圍巖變形量較小，窄煤柱內(nèi)部有較大的穩(wěn)定區(qū)域，承載力較強(qiáng)，巷道處于較有利的圍巖環(huán)境中。