沿空掘巷煤柱的合理留設(shè)寬度

白淥斐

(潞安環(huán)能股份公司常村煤礦，山西 長治 046200)

隨著煤炭資源的不斷減少，對(duì)其回收率要求也逐步提高。相鄰工作面之間需要一定的護(hù)巷煤柱，對(duì)上覆巖層進(jìn)行支承以及隔絕有害氣體和礦井水等物質(zhì)。煤柱寬度和穩(wěn)定性是保證正常生產(chǎn)和巷道有效支護(hù)的重要因素。通常大多數(shù)礦井考慮煤柱的位置都會(huì)放在采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力曲線的原巖應(yīng)力區(qū)，但煤層厚度增加，使其相應(yīng)的原巖應(yīng)力區(qū)域也向煤體深部移動(dòng)。其中厚煤層工作面的極限平衡區(qū)峰值10～15m，特厚煤層極限平衡區(qū)峰值達(dá)到45～60m。綜上所述，護(hù)巷煤柱的寬度增大，不利于煤炭回收率的提高。本文基于沿空掘巷技術(shù)[1-2]施工、縮短煤柱寬度為依據(jù)進(jìn)行下一步研究。

1 工程背景

22采區(qū)位于常村煤礦井田東南部，2103為首采面（已回采結(jié)束），東鄰2103工作面，西鄰22采區(qū)膠帶巷，南側(cè)為2205工作面。2205工作面設(shè)計(jì)走向長約1430m，工作面面長220m，煤層埋深240～250m，該礦主要開采的是12#煤層，平均厚度為6m，煤層傾角4°～6°，近似水平。采用的“一進(jìn)兩回”的通風(fēng)方式，布置一條運(yùn)輸平巷、一條回風(fēng)平巷和一條瓦斯抽采巷道（見圖1），回風(fēng)平巷和抽采瓦斯巷相鄰。2203工作面采空區(qū)和2205工作面留設(shè)煤柱為38m，2205回風(fēng)平巷掘進(jìn)時(shí)，巷道采空區(qū)側(cè)煤幫巷道已有支護(hù)后，巷幫有向巷道內(nèi)側(cè)收斂趨勢(shì)。在推進(jìn)600m后，觀測(cè)已掘進(jìn)巷道的表面位移計(jì)，測(cè)出（100～500m）巷道有20mm到80mm不等的收斂量，頂板最大下沉量有100mm左右。2205工作面回采期間2205回風(fēng)巷道變形量更大。2203工作面和2205工作面之間的煤柱變形量大，煤柱支承壓力大，影響礦井正常生產(chǎn)，所以工作面間合理的煤柱留設(shè)，為下一區(qū)段巷道布置提供借鑒。

圖1 礦井工作面布置圖

2 煤柱合理寬度

2.1 關(guān)鍵塊B的確定

隨著設(shè)備性能的不斷提升，長壁開采工作面的面長增加已成為趨勢(shì)。柏建彪提出在側(cè)向方向上基本頂初次來壓時(shí)也會(huì)出現(xiàn)“O-X”破斷，直接頂垮落，基本頂在直接頂垮落后，發(fā)生斷裂、回轉(zhuǎn)和下沉，形成砌體梁結(jié)構(gòu)。弧形三角塊（B）一端回轉(zhuǎn)后在采空區(qū)觸矸，另一端斷裂后壓在直接頂和煤柱之上，并與相鄰塊體相互咬合形成鉸接結(jié)構(gòu)，鉸接結(jié)構(gòu)受到相鄰巖塊的水平推力作用，相對(duì)比較穩(wěn)定[3]（見圖2）。

圖2 沿空掘巷弧形三角塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 極限平衡區(qū)確定

巷道一側(cè)實(shí)體煤區(qū)域存在破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)。煤柱的垂直應(yīng)力σy的分布如圖3。隨著煤體的垂直應(yīng)力遠(yuǎn)離煤柱邊緣而增長，在煤柱一定寬度時(shí)，存在支承應(yīng)力極限平衡狀態(tài)[4]。

圖3 采空區(qū)實(shí)體煤側(cè)垂直應(yīng)力分布

煤層埋深240～250m，2203工作面為回采面，2205工作面為接續(xù)面，煤層平均厚度6m，煤層傾角4°～6°。煤層之上依次是粉砂巖、淺灰色細(xì)砂巖，底板為粉砂巖、淺灰色細(xì)砂巖、灰色黏土巖。采用經(jīng)典極限平衡區(qū)公式求解x0。

式中：

m-巷高，3m；

h-開采深度，240m；

K-最大應(yīng)力集中系數(shù)，2.5；

γ-上覆巖層平均容重，25kN/m3；

C-內(nèi)聚力，1MPa；

φ-內(nèi)摩擦角，30°；

f-煤體和頂?shù)装宓哪Σ烈驍?shù)，0.4；

Px-三角煤體對(duì)煤柱的支承應(yīng)力，0.3MPa；

ξ-三軸應(yīng)力系數(shù)。

求出x0=9.375m。考慮到巷道斷面至少5m寬，故窄煤柱寬度為4.375m，最終取4m寬。巷道布置在極限平衡區(qū)以內(nèi)的塑性區(qū)，有一定卸壓作用，利于巷道維護(hù)，減小變形量。

3 巷道支護(hù)參數(shù)

結(jié)合礦井實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件和巷道圍巖變形破壞的具體情況，采用地質(zhì)力學(xué)評(píng)估計(jì)算得出巷道合理的錨桿間、排距支護(hù)參數(shù)（圖4）。巷道結(jié)合錨網(wǎng)+錨桿索+W鋼帶維護(hù)巷道圍巖（圖5）。

（1）頂板采用5根錨桿，規(guī)格為Ф22mm×2400mm，間排距為 800mm×900mm，預(yù)緊力50kN；采用錨索加強(qiáng)支護(hù)，規(guī)格為Φ20mm×8000mm，間排距為1200mm×1000mm。

（2）巷幫采用4根錨桿，規(guī)格為Ф22mm×2500mm，間排距為 800mm×900mm，預(yù)緊力50kN。

圖4 巷道支護(hù)布置圖

圖5 頂板支護(hù)示意圖

綜上所述，在此支護(hù)形式下，巷道能滿足通風(fēng)、物料運(yùn)輸以及正常出煤的要求，較好地控制巷道圍巖變形量。

4 結(jié)論

通過彈塑性變形狀態(tài)下煤柱的極限平衡公式可得出，沿空掘巷煤柱的寬度為4m。礦井應(yīng)用過程中，待上區(qū)段工作面穩(wěn)定后才能掘巷，沿空巷道布置方式在提高回收率、減小巷道變形等方面有很大優(yōu)勢(shì)。