大采高工作面回風(fēng)側(cè)巷道群合理煤柱寬度研究

劉 建，張 松

(1. 畢節(jié)市非煤礦山安全生產(chǎn)監(jiān)督管理站，貴州 畢節(jié) 551700； 2. 畢節(jié)市工業(yè)和信息化局，貴州 畢節(jié) 551700)

在高瓦斯礦井，由于瓦斯?jié)舛冗^高，為達到通風(fēng)及瓦斯抽采治理要求，一般采用以巷道群為主的多巷布置。巷道間相互擾動，由于開挖深度的加深，掘進期相互擾動效應(yīng)逐漸變強[1-2]，國內(nèi)多數(shù)學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬等研究方式針對巷道群布置下圍巖的破損機理和穩(wěn)定控制技術(shù)進行了系統(tǒng)性的研究[3-4]. 以山西晉城寺河礦W2302工作面回風(fēng)側(cè)巷道群為研究對象，主要對其煤柱寬度進行相應(yīng)的合理性驗證研究。

1 工程背景

寺河礦為大采高、高瓦斯礦井，研究對象為2巷、3巷、4巷，主要研究3巷和4巷間的煤柱寬度，工作面和巷道布置圖見圖1. W2302工作面目前主采3#煤，并采用一次采全高開采方式，煤層埋深400～500 m，平均煤厚6.07 m，傾角4o，瓦斯含量24.7 m3/t.

根據(jù)該礦瓦斯防治安全標準，掘進時的瓦斯?jié)舛炔坏酶哂?.9 m3/t，考慮采掘接替平衡，必須提高巷道成巷速度并將富集瓦斯抽采利用，提升抽采效率。因此，采用底板抽采瓦斯的巷道布置，2巷位于煤層地板6 m巖層處。通風(fēng)方式采用“三進兩回”方式，見圖2，因巷道間層位不同，需從3巷與4巷間聯(lián)絡(luò)巷附近打通風(fēng)立眼至底板2巷，以實現(xiàn)工作面正常通風(fēng)。3#煤頂?shù)装逑嚓P(guān)巖性力學(xué)參數(shù)見表1.

圖1 工作面和巷道布置圖

圖2 通風(fēng)方式示意圖

表1 煤巖體試樣力學(xué)參數(shù)表

2 應(yīng)力疊加分布模型確定

對3巷和4巷間合理煤柱寬度進行相應(yīng)的理論研究，對現(xiàn)場煤柱留設(shè)寬度的合理性進行驗證。

2.1 回風(fēng)側(cè)煤柱內(nèi)部應(yīng)力疊加分布模型

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對W2302工作面回風(fēng)側(cè)建立相應(yīng)的煤柱內(nèi)部應(yīng)力疊加分布模型，見圖3.

圖3 現(xiàn)場煤柱內(nèi)部應(yīng)力疊加分布模型圖

圖3中，F(xiàn)(ε)曲線代表W2302工作面開挖后在煤柱形成的應(yīng)力分布；f1(ε)代表塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布曲線；f2(ε)即代表彈性區(qū)；同理，G(ε)、L(ε)則代表巷道開挖對左(右)煤柱形成的應(yīng)力曲線；g1(ε)、l1(ε)代表塑性區(qū)曲線；g2(ε)、l2(ε)代表彈性區(qū)曲線。

煤柱內(nèi)部的應(yīng)力符合Weibull分布，根據(jù)文獻[5]函數(shù)表達式為：

(1)

圖3只是針對單個因素下的函數(shù)曲線圖，但實際煤柱內(nèi)應(yīng)力應(yīng)是工作面回采和巷道開挖后的應(yīng)力疊加，留設(shè)煤柱到達一定寬度后，煤柱間原巖應(yīng)力區(qū)消失，煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布是由工作面回采和巷道開挖后的應(yīng)力相加，并且呈一定規(guī)律重新分布，根據(jù)以上理論分析，可得工作面回采及巷道開挖后W2303工作面右側(cè)煤體內(nèi)應(yīng)力疊加重新分布后函數(shù)見式(2).

q(ε)=C0tanφ+piλ1()e2tanφmλ1(ε)-C0tanφ+[γHt(k2-1)e1-t+γH]ε∈[0,x?1)(k1-1)γHse1-s+(k2-1)γHte1-t+2γHε∈[x?1,B-x?2)C0tanφ+piλ2()e2tanφmλ2(ε)-C0tanφ+[γHs(k1-1)e1-s+γH]ε∈[B-x?2,B)0ε∈[B,B+a)C0tanφ+piλ2()e2tanφmλ2(ε)-C0tanφ+[γHs(k1-1)e1-s+γH]ε∈[B+a,B+a+x?3)(k1-1)γHte1-t+(k2-1)γHue1-u+2γHε∈[B+a+x?3,+∞)ì?í??????????????(2)

式中：

t=(-ε+xg+B-x4)/xg；

u=(xg+ε-B-a-x4)/xg；

s=(ε+xf-x1)/xf；

x1、x4—塑性區(qū)范圍，m；

xf、xg—函數(shù)緩急調(diào)節(jié)參數(shù)；

λ1、λ2—側(cè)壓系數(shù)；

k1、k2—應(yīng)力增高系數(shù)；

C0—內(nèi)聚力，MPa；

φ——內(nèi)摩擦角，(o)；

pi—錨桿支護強度，MPa，取0.2；

m—巷高，m，取3.8；

B—煤柱寬度，m；

γ—容重，kN/m3；

a—4巷寬度，m，取5.85.

式中，在ε=x1時，煤柱內(nèi)最大應(yīng)力為f2(ε)=k1γH.k1值即為最大應(yīng)力值的主要影響因素，應(yīng)力值越大，對工作面回采在煤柱內(nèi)產(chǎn)生的支承應(yīng)力的最大值影響越大，相反則越小。在ε→+∞范圍中通過改變xf的值(增大或減小)，可以調(diào)節(jié)f2(ε)函數(shù)曲線的緩急程度，隨著煤柱內(nèi)應(yīng)力逐漸向煤柱深部延伸，f2(ε)函數(shù)值將不斷減小直至降低至原巖應(yīng)力。同理，巷道開挖時，通過改變xg的值(增大或減小)，可以調(diào)節(jié)l2(ε)函數(shù)曲線的緩急程度。

(k1-1)se1-s+(k2-1)te1-t+1=k1*

(3)

(4)

(5)

結(jié)合現(xiàn)場情況，利用數(shù)值模擬和理論計算對比研究得出k1、k2、xg、xf的值，其中計算參數(shù)選取如下：H=410 m(煤層埋深)，ρ=2.5×103kg/m3，煤厚6.07 m，pi=0.2 MPa，C0=0.26 MPa，φ=10o；數(shù)值計算得出單一巷道開挖后圍巖垂直應(yīng)力見圖4，數(shù)值計算的煤柱內(nèi)應(yīng)力分布和xg賦不同值時煤柱內(nèi)應(yīng)力函數(shù)曲線見圖5.

圖4 煤柱內(nèi)支承應(yīng)力分布圖(單巷開挖)

圖5 不同xg時煤柱內(nèi)支承應(yīng)力圖(單巷開挖)

由圖4，5可知，k2=1.33，λ2=0.3. 在xg=5時，通過理論計算曲線和數(shù)值所得曲線基本重合，因此可以取值xg=5.

同理，模擬得出圍巖垂直應(yīng)力云圖(單工作面回采)見圖6，數(shù)值計算的煤柱內(nèi)應(yīng)力分布和xf賦不同值時煤柱內(nèi)應(yīng)力函數(shù)曲線見圖7.

圖6 煤體內(nèi)垂直應(yīng)力云圖(單工作面回采)

圖7 不同xf時煤柱內(nèi)支承應(yīng)力圖(單工作面回采)

由圖6，7可知，k1=1.77，λ1=0.6. 其中，在距離工作面10 m范圍內(nèi)，理論計算的塑性區(qū)煤柱內(nèi)應(yīng)力低于模擬計算的結(jié)果，原因是在數(shù)值計算中煤柱受到工作面回采后的上覆巖層旋轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生的水平應(yīng)力，煤柱內(nèi)應(yīng)力受力增加較快，實際生產(chǎn)中，處于采空區(qū)的煤體是離散體，不能向煤柱施加水平應(yīng)力。因此，在距離工作面10 m范圍內(nèi)，理論計算的煤柱內(nèi)應(yīng)力更接近現(xiàn)實情況，在xf=10時，距離工作面10 m以外的煤柱內(nèi)應(yīng)力理論計算曲線和數(shù)值所得曲線基本重合，因此，可取xf=10.

2.2 W2302工作面回風(fēng)側(cè)煤柱合理寬度確定

維持巷道穩(wěn)定的煤柱寬度應(yīng)滿足：當煤柱左右側(cè)皆受壓變形并形成一定寬度的塑性區(qū)，煤柱中心需保留一定范圍的彈性核區(qū)，并且彈性核區(qū)的寬度需大于煤柱高度的兩倍，因此合理煤柱寬度應(yīng)大于左右兩側(cè)塑性區(qū)寬度與兩倍的煤柱高度的和，即式(6)：

(6)

式中：

mc—煤柱高度，m，取6.

求解式(6)，得出B>37 m，由于W2302工作面回采完畢后巷道繼續(xù)受到下一個工作面(W2303)的回采影響，出于安全考慮，保留安全系數(shù)1.2，得B>44.4 m，取整后W2302工作面回風(fēng)側(cè)3巷和4巷間煤柱寬度為45 m.

3 工業(yè)性試驗

為驗證理論研究，分析現(xiàn)場巷道變形規(guī)律，在2巷、3巷和4巷分別布置1個表面位移測站，為統(tǒng)一巷道的左右?guī)?，?guī)定W2302工作面推進方向左側(cè)為巷道左幫，W2303工作面推進方向右側(cè)為巷道右?guī)?。測站布置見圖8.

圖8 回風(fēng)側(cè)巷道群測站布置圖

測站1布置在2巷中，測站距切眼617 m；W23022巷左側(cè)為W23023巷，右側(cè)為W23024巷；測站2布置在3巷，距切眼542 m；測站3布置在4巷，距切眼412 m；現(xiàn)場工作面回采期間巷道表面收斂曲線見圖9.

圖9 巷道斷面收斂曲線圖

測站1和測站3是W2302工作面回采時，巷道的變形規(guī)律曲線；測站2是W2302工作面回采時，巷道表面的收斂規(guī)律曲線。由圖9c)可知：在工作面超前50 m左右巷道變形曲線斜率迅速增大，此時巷道受采動影響較為嚴重，巷道變形速率增大；布置測站2的巷道服務(wù)于W2302工作面，由于這條巷道受到二次采動的影響，該巷道變形明顯要比3巷變形嚴重，但是不會影響到煤炭的安全采出；測站1布置在2巷，由于其不在同一層位，巷道采用直墻半圓拱形，并且巷道掘在巖層中，雖然巷道相比其他兩巷易維護，但是由于受到兩次采動的影響，巷道變形要明顯大于3巷和4巷。

總體看，巷道頂?shù)装遄冃未笥谙锏纼蓭妥冃危皇軆纱尾蓜佑绊懙南锏雷冃屋^大，為確保煤礦安全生產(chǎn)需在后期加強維護。

4 結(jié) 論

1) 建立了應(yīng)力疊加分布計算模型，分析煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律并得出相應(yīng)的計算式。

2) 研究得出煤柱合理寬度應(yīng)大于37 m，同時考慮安全系數(shù)，煤柱寬度應(yīng)大于44.4 m.

3) 經(jīng)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，驗證W2302工作面回風(fēng)側(cè)煤柱寬度45 m是可行的，為了安全生產(chǎn)，后期需加強對受兩次采動影響巷道的維護。