南關(guān)煤礦三采區(qū)回采巷道合理煤柱寬度研究

孟曉剛

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責(zé)任公司， 山西 介休 032000）

隨著我國煤礦開采深度的不斷加大和采煤機械化程度的不斷提高，各礦井大多面臨采掘銜接緊張、圍巖應(yīng)力急劇增加、采出率要求逐漸提高等問題[1-2]，其中護巷煤柱寬度的合理選擇是決定工作面回采巷道掘進時的穩(wěn)定性及后期維護工作量的關(guān)鍵[3-5]。與常規(guī)順采工作面相比，跳采之后所遺留的孤島工作面的兩側(cè)采場引起的覆巖變形破壞和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)更加嚴(yán)重，在孤島內(nèi)部掘進回采巷道時其礦壓顯現(xiàn)更加劇烈，巷道返修率高，嚴(yán)重影響了礦井生產(chǎn)效率[6-7]。因此合理選擇孤島工作面兩側(cè)護巷煤柱寬度既能保證煤柱自身和新準(zhǔn)備工作面回采巷道的穩(wěn)定性，減小巷道返修工作量，又能夠緩解礦井采掘銜接緊張局面，并且提高采出率[8]。

本文以南關(guān)礦2號煤層三采區(qū)孤島工作面為背景，分析了上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力的分布規(guī)律以及下區(qū)段工作面回采巷道掘進后的應(yīng)力、位移特征與煤柱寬度的關(guān)系，通過理論計算和數(shù)值模擬的方法，從煤柱與巷道穩(wěn)定性兩個方面出發(fā)，確定了南關(guān)礦三采區(qū)孤島工作面兩側(cè)護巷煤柱的合理寬度，研究結(jié)果可為同類型工作面提供參考。

1 工程概況

南關(guān)礦2號煤層三采區(qū)地面標(biāo)高1 075～950 m，采區(qū)標(biāo)高575～445 m，埋深約500 m。其中的回采工作面傾向長度150 m，回采巷道走向長度900 m，所采2號煤層平均厚度2.4 m，傾角1°～5°。煤層頂板以泥巖、砂巖為主，偽頂為厚度0.2 m泥巖，直接頂為厚度1.4 m泥巖，老頂為厚度3.2 m粉砂巖；底板以砂巖為主，直接底厚度2.5 m細砂巖，老底厚度1.4 m粉砂巖。工作面頂?shù)装鍘r層特征見表1。

表1 工作面頂?shù)装鍘r層特征

采區(qū)內(nèi)工作面均采用后退式走向長壁綜合機械化整層開采，雙巷布置，U型通風(fēng)。工作面回采巷道均為頂板傾斜的直角梯形斷面，寬度4.4 m，中心高度2.8 m，沿煤層頂板掘進。經(jīng)過之前的跳采，現(xiàn)階段南關(guān)礦三采區(qū)工作面均為孤島工作面，工作面布置平面圖如圖1所示。

圖1 工作面布置平面示意圖

2 理論計算

由回采巷道煤柱臨界寬度的理論計算方法[9]估算南關(guān)礦2號煤三采區(qū)回采巷道的煤柱寬度極限如下：

由Bieniawski煤柱強度計算公式，有：

式中，σc為由煤體中取出的標(biāo)準(zhǔn)試件的單軸抗壓強度，W為區(qū)段間的煤柱寬度，h為回采巷道高度。

煤柱的靜載荷集度為：

式中，γ為煤層上覆巖層的容重，H為煤層埋深，B為回采巷道寬度。

當(dāng)煤柱取不發(fā)生破壞的臨界寬度W0時，煤柱的靜載集度與煤柱強度相等，因此，由qi=σp，可得煤柱的臨界寬度應(yīng)該滿足：

將南關(guān)礦2號煤標(biāo)準(zhǔn)試件的單軸抗壓強度12MPa代入公式，并根據(jù)埋深500m，巷道高度2.8m，寬度4.4 m，煤層上覆巖層容重26 kN/m3，計算可得，南關(guān)礦2號煤三采區(qū)條件下煤柱寬度不應(yīng)小于24.28 m。

3 數(shù)值分析

3.1 模型建立及邊界條件

根據(jù)南關(guān)礦2號煤層三采區(qū)工作面地質(zhì)條件建立FLAC3D數(shù)值模擬模型。當(dāng)煤柱及巷道的尺寸遠小于相鄰采空區(qū)的走向長度時，其穩(wěn)定性問題可按照平面應(yīng)變問題來研究，因此建立數(shù)值模擬模型尺寸為109.2 m×46 m×10 m（長×高×厚），模型總共包括101 460個單元，109 620個節(jié)點，在煤柱及巷道附近單元體尺寸較小，到模型邊界單元體尺寸逐漸變大。模型的四個側(cè)面為鉸支，限制四周邊界節(jié)點的水平位移；底部為固支，限制節(jié)點的全部位移；頂部為應(yīng)力邊界，按照巷道埋深模擬上覆巖層的重力施加12 MPa垂直向下均布荷載。模擬計算煤巖體采用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則。模型中包括一個回采巷道及相鄰工作面采空區(qū)，模擬煤柱寬度5m、7.5m、10m、15 m、20 m、25 m、30 m、40 m，模擬巷道高幫側(cè)為煤柱和相鄰工作面采空區(qū)，低幫側(cè)為待回采煤體。模擬模型如圖2所示。

圖2 模擬模型圖

3.2 上區(qū)段采空區(qū)支承壓力分布特征

南關(guān)礦三采區(qū)中上區(qū)段工作面回采結(jié)束后，采空區(qū)支承壓力在2號煤層中的分布特征如圖3所示。

圖3 采空區(qū)支承壓力分布規(guī)律

由圖3可知，在上區(qū)段工作面回采結(jié)束后，距采空區(qū)煤壁0～1 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力分布為3.41～11.9 MPa，可知該范圍內(nèi)煤體由于破碎難以承受垂直應(yīng)力的升高，產(chǎn)生了小于原巖應(yīng)力垂直應(yīng)力降低區(qū)，該范圍為煤體破裂區(qū)；距采空區(qū)煤壁1～3.5 m范圍內(nèi)垂直應(yīng)力為12.5～40.57 MPa，該范圍內(nèi)垂直應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，且隨著遠離采空區(qū)煤壁垂直應(yīng)力逐漸增大并達到峰值，該范圍為煤體塑性區(qū)；距采空區(qū)煤壁3.5～27.5 m范圍內(nèi)，隨著遠離采空區(qū)煤壁，垂直應(yīng)力由峰值逐漸下降到12.5 MPa左右，恢復(fù)至原巖應(yīng)力水平，該范圍為煤體彈性區(qū)；在距離采空區(qū)煤壁大于27.5 m的范圍內(nèi)，煤體中垂直應(yīng)力穩(wěn)定在原巖應(yīng)力水平，該范圍為原巖應(yīng)力區(qū)。由上可知，采空區(qū)煤壁中可以分為應(yīng)力降低區(qū)（0～1 m），應(yīng)力升高區(qū)（1～27.5 m），原巖應(yīng)力區(qū)（＞27.5 m），并且采空區(qū)煤壁中的垂直應(yīng)力峰值為40.57 MPa，出現(xiàn)在距采空區(qū)煤壁3.5 m處，且采空區(qū)支承壓力在側(cè)方煤體中的影響范圍為27.5 m左右。

3.3 下區(qū)段巷道掘進后受力及變形規(guī)律

3.3.1 煤柱內(nèi)支承壓力分布規(guī)律

上區(qū)段工作面回采結(jié)束后，下區(qū)段工作面回采巷道掘進后不同寬度煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布曲線如圖4所示。

圖4 不同寬度煤柱內(nèi)支承壓力分布規(guī)律

由圖4可知，當(dāng)煤柱寬度小于10 m時，煤柱受到上區(qū)段采空區(qū)及下區(qū)段回采巷道的支承壓力疊加影響而發(fā)生嚴(yán)重的失穩(wěn)破壞，在殘余強度下，煤柱中的垂直應(yīng)力峰值較??；當(dāng)煤柱寬度為10～20 m時，煤柱內(nèi)應(yīng)力呈現(xiàn)出峰值靠近采空區(qū)一側(cè)的傾斜分布，由于上區(qū)段采空區(qū)及下區(qū)段回采巷道在煤柱內(nèi)產(chǎn)生支承壓力疊加，靠近巷道側(cè)煤柱內(nèi)應(yīng)力集中仍較大；當(dāng)煤柱寬度為25～40 m時，由于煤柱寬度的加大，上區(qū)段工作面回采及下區(qū)段回采巷道掘進在煤柱內(nèi)產(chǎn)生的支承壓力并不會發(fā)生明顯的疊加，靠近巷道側(cè)的煤柱內(nèi)應(yīng)力集中恢復(fù)至巷道掘進水平。綜合分析不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)的支承壓力峰值可以發(fā)現(xiàn)，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值隨著煤柱寬度的增大先增大后減小，并在10 m寬度時達到峰值，這是由于當(dāng)煤柱寬度較小時，煤柱發(fā)生嚴(yán)重變形破壞，導(dǎo)致其承載能力大大降低，應(yīng)力峰值較低；隨著煤柱寬度的增大，上區(qū)段采空區(qū)及下區(qū)段回采巷道在煤柱中產(chǎn)生的支承壓力相互疊加，應(yīng)力峰值逐漸升高；但隨著煤柱寬度的繼續(xù)增大，上區(qū)段采空區(qū)及下區(qū)段回采巷道在煤柱中產(chǎn)生的相互疊加作用減弱消失，煤柱內(nèi)的應(yīng)力峰值又逐漸減小，恢復(fù)單采空區(qū)煤壁中的垂直應(yīng)力峰值水平。

圖5 回采巷道圍巖變形隨煤柱寬度的變化規(guī)律

3.3.2 巷道圍巖位移破壞變化規(guī)律

如圖5所示為南關(guān)礦三采區(qū)上區(qū)段采空區(qū)側(cè)下區(qū)段回采巷道開挖后不同煤柱寬度條件下圍巖的變形情況。由圖可知，在下區(qū)段回采巷道開挖后，煤柱幫移近量最大，實體煤幫移近量次之，并且?guī)筒孔冃瘟看笥陧敯遄冃瘟浚装遄冃瘟孔钚?。隨著煤柱寬度的增大，巷道圍巖頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤饾u減小，在煤柱寬度大于25 m以后，巷道圍巖變形量的減小幅度趨于零，且兩幫移近量逐漸趨于相等，頂?shù)装逡平恳仓饾u趨于相等。證明隨著煤柱寬度的增大，下區(qū)段回采巷道受到上區(qū)段采空區(qū)的影響逐漸減弱，在煤柱寬度大于25 m后，逐漸不受影響。

圖6 不同煤柱寬度巷道圍巖中的塑性區(qū)分布規(guī)律

如圖6所示為不同煤柱寬度條件下區(qū)段回采巷道圍巖中塑性區(qū)分布情況，由結(jié)果可知，當(dāng)煤柱寬度小于10 m時，巷道圍巖中的塑性區(qū)分布范圍大，整個煤柱都發(fā)生屈服破壞，此時巷道穩(wěn)定性極差；當(dāng)煤柱寬度較大時，巷道圍巖中的塑性屈服區(qū)與采空區(qū)圍巖中的塑性屈服區(qū)沒有貫通，圍巖中的塑性屈服分布范圍較小，巷道穩(wěn)定性得到提高。

綜合應(yīng)力和位移破壞的變化規(guī)律可知，隨著煤柱寬度的減小，煤柱內(nèi)的應(yīng)力和下區(qū)段巷道的位移均為急劇升高的趨勢，塑性屈服范圍急劇增大；隨著煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)的應(yīng)力和下區(qū)段巷道的位移則明顯減小，塑性屈服范圍減小。合理的煤柱寬度應(yīng)該使得巷道處于低應(yīng)力環(huán)境中；并且保證能夠隔離上區(qū)段采空區(qū)，防止漏風(fēng)發(fā)火；同時應(yīng)能夠最大限度節(jié)約煤炭資源，提高煤炭采出率。因此，在南關(guān)礦軟弱的2號煤層和頂?shù)装鍡l件下，受到高應(yīng)力環(huán)境的影響，南關(guān)礦應(yīng)慎用小煤柱及沿空留巷的開采方式，在南關(guān)礦2號煤層三采區(qū)工作面間的煤柱合理寬度應(yīng)不小于25 m。

4 工程應(yīng)用

結(jié)合南關(guān)礦的生產(chǎn)地質(zhì)條件分析，認為南關(guān)礦三采區(qū)回采巷道的煤柱寬度留設(shè)的關(guān)鍵影響因素為：煤巖層強度小，且目前為孤島工作面，所受采空區(qū)支承壓力大。因此，采用25 m寬煤柱后，在下區(qū)段回采巷道中著重加強對幫部軟弱煤體進行支護，同時頂板角部采用斜跨錨桿，提高頂板巖體的抗剪強度并避免頂板的臺階式下沉等現(xiàn)象。支護參數(shù)為：頂錨桿為Φ20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，每排6根，間排距800 mm×800 mm；幫錨桿也選取型號為Φ20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距850 mm×800mm；每根錨桿配用1節(jié)CK2355（里）和1節(jié)K2355（外）型錨固劑。頂錨索采用Φ17.8 mm×6 000 mm鋼鉸線，布置成“三花型”，間排距2000mm×800mm。幫錨索也采用Φ17.8 mm×6 000 mm鋼鉸線，以45°～60°支護，排距為1 600 mm；每根錨索配1節(jié)CK2355、2節(jié)K2355型樹脂藥卷。要求錨桿錨固力不小于80 kN，錨索預(yù)緊力不小于120 kN。支護斷面如圖7所示。

圖7 下區(qū)段回采巷道支護斷面圖（單位：mm）

圖8 下區(qū)段回采巷道掘進期間變形規(guī)律

在掘進與回采期間均對下區(qū)段回采巷道的圍巖變形量進行監(jiān)測，結(jié)果表明，在掘進后30天內(nèi)巷道圍巖變形量逐漸趨于穩(wěn)定，煤柱幫和實體煤幫最大變形量均不超過150 mm，頂板下沉量不超過100 mm，配合下區(qū)段工作面的超前支護，下區(qū)段回采巷道安全穩(wěn)定無返修，實現(xiàn)下區(qū)段工作面的高效生產(chǎn)。

5 結(jié)論

1）由回采巷道煤柱臨界寬度的理論計算方法，區(qū)段間煤柱的寬度及穩(wěn)定性與煤體的單軸抗壓強度、埋深以及下區(qū)段回采巷道的寬度和高度相關(guān)，根據(jù)理論計算結(jié)果，南關(guān)礦2號煤三采區(qū)煤柱寬度不應(yīng)小于24.28 m。

2）數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，在煤柱寬度小于20 m時，下區(qū)段回采巷道受上區(qū)段采空區(qū)影響較大，圍巖中應(yīng)力和變形量急劇升高，出現(xiàn)了大范圍的屈服破壞區(qū)，綜合考慮認為南關(guān)礦2號煤三采區(qū)的合理煤柱寬度為25 m，與理論計算結(jié)果向?qū)?yīng)。

3）在采用25 m的合理寬度煤柱并對巷道幫部及角部進行重點加固后，下區(qū)段回采巷道的變形量較小，無返修，滿足了下區(qū)段工作面回采期間的穩(wěn)定性要求。