礦井下山護(hù)巷煤柱合理尺寸選取

馮國(guó)龍

(汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦安，山西 柳林 033300)

1 工程概況

3402工作面所在煤層為3煤，位于34采區(qū)南翼，開(kāi)采下二疊統(tǒng)山西組3(3上)煤層。工作面走向長(zhǎng)(兩巷平均)1 408 m，傾斜長(zhǎng)225 m～230 m，面積330 933.4 m2，工作面平均煤厚8.5 m，可采儲(chǔ)量306萬(wàn)t。該工作面北東為3402工作面，北西為-650大巷保護(hù)煤柱，南西為未開(kāi)采區(qū)，南為DF64斷層及3(3上)煤層風(fēng)氧化帶。該區(qū)段總體呈單斜構(gòu)造，傾向北西，煤(巖)層傾角4°～26°，平均傾角9°。地面位置：位于昭陽(yáng)湖里，地表標(biāo)高+31.71 m～+32.52 m，地表水深2 m～6 m，與井下無(wú)水力聯(lián)系。

3煤厚度7.1 m～10.1 m，平均8.5 m。3煤特點(diǎn)為：黑色，塊狀，玻璃光澤、油脂光澤，細(xì)、寬條帶狀結(jié)構(gòu)，階梯狀、參差狀斷口，外生裂隙發(fā)育，煤巖成份以暗煤為主，亮煤次之，少量鏡煤條帶，煤巖類(lèi)型屬暗淡型或半暗型，3煤層工業(yè)牌號(hào)為氣煤，特低硫，低磷，高揮發(fā)分。局部含深灰色泥巖夾矸，夾矸厚度不穩(wěn)定，約0.1 m～2.5 m。煤層堅(jiān)固性系數(shù)(普氏硬度系數(shù))f=0.83～0.99。

3煤直接頂為泥巖，厚度一般為0.6 m～2.6 m，平均1.4 m。黑色，巨厚層狀，致密、性脆，貝殼狀斷口，具垂直裂隙，未充填，含黃鐵礦薄膜或結(jié)核及少許葉片化石。巖層堅(jiān)固性系數(shù)(普氏硬度系數(shù))f=3.77。

基本頂為細(xì)砂巖，厚度一般為0.4 m～5.2 m，平均3.0 m。3煤直接底為泥巖，厚度一般為1.2 m～4.0 m，平均2.4 m?；镜诪榧?xì)砂巖，厚度一般為2.4 m～6.6 m，平均3.9 m。

該區(qū)段總體呈單斜構(gòu)造，傾向北西，煤(巖)層傾角4°～26°，平均傾角9°。3402工作面預(yù)計(jì)將依次揭露4條斷層，斷層附近伴生隱伏次級(jí)斷層，煤巖層松軟、破碎，易冒落，斷層均不導(dǎo)水。

3402工作面最大瓦斯絕對(duì)涌出量為0.85 m3/min，相對(duì)涌出量為0.43 m3/t，二氧化碳絕對(duì)涌出量為1.10 m3/min，相對(duì)涌出量為0.55 m3/t。

3煤頂板砂巖含水層平均厚度22 m，底板砂巖含水層平均厚度6.5 m，賦水不均一，有少量涌水。在該區(qū)段內(nèi)，侏羅系底部礫巖下距3煤層頂板約20 m～80 m。該含水層對(duì)巷道正常施工無(wú)影響。

巷道斷面圖見(jiàn)圖1，工作面位置圖見(jiàn)第94頁(yè)圖2。

圖1 巷道斷面圖(單位：mm)

2 下山巷道間煤柱寬度選取

2.1 彈塑性計(jì)算

-650軌道下山、-650膠帶下山、-650人行

圖2 3402工作面位置圖

下山為穿層掘進(jìn)，巖層為中硬巖層，采用直墻半圓拱斷面，巷道斷面圖如圖3。錨桿、掛網(wǎng)、噴漿聯(lián)合支護(hù)，噴漿厚度為10 cm，φ=22°，c=2.3 MPa，γ=24.4 kN/m3，埋深平均615 m。

圖3 等效斷面圖

根據(jù)巷道斷面尺寸，由式(1)計(jì)算-650人行下山、-650軌道下山、-650膠帶下山外接圓半徑[1-3]。

(1)

由式(2)計(jì)算-650人行下山、-650軌道下山、-650膠帶下山塑性區(qū)半徑[4]。

(2)

則：

根據(jù)以上計(jì)算可知，-650人行下山與-650軌道下山間的煤柱寬度只要不小于18.1 m，-650軌道下山與-650膠帶下山間的煤柱寬度只要不小于17.5 m，就能夠完全滿足礦山壓力要求[5-6]。

2.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬結(jié)果如圖4。圖4數(shù)據(jù)表明，當(dāng)兩巷道間煤柱寬度為20 m時(shí)，煤柱應(yīng)力峰值大小及距巷幫距離基本穩(wěn)定，受相鄰巷道的影響較小，巷道間煤柱寬度在此范圍時(shí)能夠保證巷道的穩(wěn)定。模擬結(jié)果比彈塑性計(jì)算結(jié)果稍寬，這是由于彈塑性計(jì)算沒(méi)考慮彈模的軟化造成的。

圖4 垂直應(yīng)力系數(shù)圖

在實(shí)際生產(chǎn)中，煤柱寬度的選取應(yīng)在彈塑性計(jì)算的基礎(chǔ)上乘以安全系數(shù)，并適當(dāng)?shù)丶訉挕?650人行下山與-650軌道下山間、-650軌道下山與-650膠帶下山間的煤柱寬度均為25 m，能夠滿足巷道圍巖穩(wěn)定的要求。

3 下山巷道與采場(chǎng)間煤柱寬度選取

1) 模型的建立

2) 數(shù)值模擬分析

在回采不同距離時(shí)，得到下山巷道兩幫和頂?shù)装宓奈灰谱兓€和兩幫、項(xiàng)底板移近量變化曲線，如第95頁(yè)圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以得到以下結(jié)論：

a) 當(dāng)回采距離為140 m時(shí)，此時(shí)，回采工作面距巷道水平距離為120 m，巷道兩幫和頂?shù)装宓囊平块_(kāi)始明顯增大，兩幫移近量由24 mm增大到25 mm，頂?shù)装逡平坑?9.95 mm增大道30.50 mm；

b) 當(dāng)回采工作面距巷道水平距離為120 m時(shí)，煤層回采可能會(huì)對(duì)上山巷道產(chǎn)生較大影響。此時(shí)，應(yīng)

圖5 巷道兩幫和頂?shù)装宓奈灰谱兓€

圖6 巷道兩幫和頂?shù)装逡平孔兓€

設(shè)置停采線，留取護(hù)巷煤柱寬度，建議寬度為120 m。

4 監(jiān)測(cè)分析

在-650膠帶下山設(shè)置5個(gè)觀測(cè)站，每個(gè)觀測(cè)站設(shè)置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，5個(gè)測(cè)站依次標(biāo)號(hào)為1#測(cè)站、2#測(cè)站、3#測(cè)站、4#測(cè)站、5#測(cè)站，各監(jiān)測(cè)站相距70 m。監(jiān)測(cè)儀器選用JSS30A型伸縮式數(shù)顯收斂計(jì)，JSS30A測(cè)量位移精度較高，能達(dá)到0.1 mm，適用于測(cè)量煤礦井下巷道圍巖周邊任意方向兩點(diǎn)間的距離變化。測(cè)站布置具體如圖7。

圖7 巷道表面位移監(jiān)測(cè)站布置

隨著工作面向前掘進(jìn)，巷道變形速度、變形量都發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)-650膠帶下山監(jiān)測(cè)站各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定不同的位移變化區(qū)段。

綜合分析，-650膠帶下山各點(diǎn)表面位移變形規(guī)律：

1) 1#～5#觀測(cè)站在這條巷道內(nèi)，1#和5#觀測(cè)站附近所在位置有滴水，立交位置所在巷道斷面采用U型鋼支護(hù)，巷道有漿皮掉落現(xiàn)象。

2) 1#、2#觀測(cè)站所在位置巷道的變形不嚴(yán)重，2#～4#觀測(cè)站變化較大，從巷道內(nèi)大片掉落的矸石可以宏觀反映，頂?shù)椎囊平俣却笥趦蓭汀?/p>

3) 從以上的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，保留125 m煤柱可以有效地降低巷道變形速度，控制巷道圍巖變形，大大減弱了巷道受上方支承壓力和工作面采動(dòng)的影響，保留125 m煤柱是合理的，與數(shù)值模擬計(jì)算保留120 m煤柱相吻合。

5 結(jié)論

文中結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算及FLAC3D數(shù)值模擬的結(jié)果，最終確定礦井-650采區(qū)下山巷道間煤煤柱寬度為25 m，巷道與采場(chǎng)問(wèn)煤柱寬度為135 m。實(shí)踐應(yīng)用表明，該方法分析結(jié)果可靠，實(shí)用性較強(qiáng)，為巷道護(hù)巷煤煤柱寬度的選取提供了科學(xué)的決策依據(jù)。