青洼煤業(yè)沿空掘巷小煤柱寬度研究及應(yīng)用

張小虎

（晉煤集團(tuán)晟泰公司生產(chǎn)管理部，山西 晉城 048006）

1 工作面概況

青洼煤業(yè)2203工作面開采2號煤層，煤層傾角為8～11°，平均9.5°，煤層厚度為3.85～6.2m，平均厚度4.66m。工作面直接頂板為4.0m厚粉砂巖，基本頂為厚3.25m砂巖；直接底為厚1.5m泥巖，基本底為厚7.0m粉砂巖。2205工作面回采完成以后，在本工作面左側(cè)沿空掘巷，作為2203工作面回風(fēng)巷。為保證沿空掘巷的穩(wěn)定性，需在兩個(gè)工作面之間合理留設(shè)保護(hù)煤柱。

2 小煤柱合理尺寸數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬確定煤柱寬度是常用的技術(shù)手段[1-3]，采用FLAC3D分別模擬2203與2205工作面之間小煤柱3m、5m、6m、8m的寬度。根據(jù)2203工作面地質(zhì)條件，建立380m×464m×45m的力學(xué)模型，材料參數(shù)如表1所示，垂直方向施加5.5MPa應(yīng)力，水平側(cè)壓系數(shù)為1。

表1 2203工作面材料參數(shù)

3 小煤柱合理尺寸模擬結(jié)果分析

3.1 垂直應(yīng)力分析

（1）3m煤柱

上區(qū)段工作面2205回采穩(wěn)定之后，模擬分析留設(shè)3m煤柱時(shí)掘進(jìn)2203回采巷道圍巖垂直應(yīng)力演變規(guī)律，煤柱應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表如表2所示。

表2 3m煤柱上方應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，垂直應(yīng)力峰值在煤柱中間位置以及實(shí)體煤幫深度5m處形成，構(gòu)成了巷道左右兩邊為垂直應(yīng)力集中區(qū)。在煤柱上方呈現(xiàn)“對稱”分布[4-5]，應(yīng)力曲線出現(xiàn)單峰值，垂直應(yīng)力最大為13.3MPa，達(dá)到原巖應(yīng)力的2.4倍，在實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力峰值達(dá)到50MPa左右。在實(shí)體煤側(cè)，應(yīng)力先增大后減小，距采空區(qū)邊緣距離35m以后應(yīng)力逐漸恢復(fù)至原巖應(yīng)力。煤層層位的垂直應(yīng)力小于巷道層位，3m煤柱上方應(yīng)力為10.9MPa，為原巖應(yīng)力的1.98倍，而實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力為45.9MPa。

（2）5m煤柱

上區(qū)段工作面2205回采穩(wěn)定之后，模擬分析留設(shè)5m煤柱時(shí)掘進(jìn)2203回采巷道圍巖垂直應(yīng)力演變規(guī)律，煤柱應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表如表3所示。

由表3可知，在煤柱上方應(yīng)力存在拐點(diǎn)，在距采空區(qū)2～3m應(yīng)力出現(xiàn)緩增拐點(diǎn)，應(yīng)力從18MPa增長到峰值22MPa，在實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力峰值達(dá)到47MPa左右。5m煤柱上方垂直應(yīng)力為15.2MPa，為原巖應(yīng)力的2.76倍，而實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力為45MPa。

（3）6m煤柱

上區(qū)段工作面2205回采穩(wěn)定之后，模擬分析留設(shè)6m煤柱時(shí)掘進(jìn)2203回采巷道圍巖垂直應(yīng)力演變規(guī)律，煤柱應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表如表4所示。

表3 5m煤柱時(shí)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

表4 6m煤柱時(shí)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

由表4可知，在煤柱上方應(yīng)力存在拐點(diǎn)，在距采空區(qū)2m應(yīng)力出現(xiàn)緩增拐點(diǎn)，應(yīng)力從19MPa增長到峰值32MPa，在實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力峰值達(dá)到45MPa左右。6m煤柱上方垂直應(yīng)力為19.3MPa，為原巖應(yīng)力的3.5倍，超過3倍的原巖應(yīng)力，而實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力為38.6MPa。

（4）8m煤柱

上區(qū)段工作面2205回采穩(wěn)定之后，模擬分析留設(shè)8m煤柱時(shí)掘進(jìn)2203回采巷道圍巖垂直應(yīng)力演變規(guī)律，煤柱應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表如表5所示。

由表5可知，垂直應(yīng)力在煤柱上方呈現(xiàn)“對稱” 分布，應(yīng)力曲線出現(xiàn)單峰值，垂直應(yīng)力最大為45MPa，在實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力峰值達(dá)到36MPa左右。7m煤柱上方垂直應(yīng)力為30.7MPa，為原巖應(yīng)力的5.58倍，而實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力為35.1MPa。

表5 8m煤柱時(shí)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)不同煤柱寬度模擬結(jié)果可知，煤柱寬度由3m增加到6m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)激增，垂直應(yīng)力大小從13.3MPa增長到32MPa左右，說明小煤柱主要承載，3～5m煤柱留設(shè)可以滿足沿空掘巷。但由于礦上采用的是2.2m的錨桿，5m以上煤柱可以防止錨桿對穿，6～8m應(yīng)力基本也是均勻增加，5m煤柱是應(yīng)力轉(zhuǎn)折，因此，小煤柱寬度為5m時(shí)，為最優(yōu)方案。

3.2 塑性區(qū)分析

掘進(jìn)期間留設(shè)不同寬度煤柱時(shí)，巷道圍巖的塑性區(qū)分布如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)時(shí)期不同煤柱塑性區(qū)分布規(guī)律

由圖1可知，當(dāng)煤柱寬度為3m時(shí)，巷道周圍巖體都會出現(xiàn)不同程度的破壞，煤柱整體完全處于塑性或塑性破壞狀態(tài)，此時(shí)煤柱在應(yīng)力的作用下幾乎已經(jīng)完全破壞，但仍然具有一定的承載能力。隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)所占比例逐漸減少，煤柱破壞程度有所降低。當(dāng)煤柱寬度為6m時(shí)，煤柱中間部位將出現(xiàn)小范圍的彈性區(qū)，此時(shí)的煤柱變形最為穩(wěn)定。隨著煤柱寬度達(dá)到6m及以上，實(shí)體煤幫的應(yīng)力增大導(dǎo)致幫部塑性區(qū)增大，煤體破壞嚴(yán)重。因此，小煤柱寬度為5m時(shí)，為最優(yōu)方案。

4 效果檢驗(yàn)

2203與2205工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為5m后，為了確保沿空巷道的安全性，采用“十字布點(diǎn)”的方式監(jiān)測巷道的圍巖變形量，如表6所示。

表6 沿空巷道圍巖變形量（m）

由表6可知，沿空巷道圍巖平均變形量最大為0.02m。由此可知，留設(shè)5m寬度煤柱能夠保證沿空巷道穩(wěn)定。

5 結(jié)論

（1）以青洼煤業(yè)2203工作面為研究對象，采用FLAC3D分別模擬2203與2205工作面之間小煤柱3m、5m、6m、8m寬度時(shí)沿空巷道垂直應(yīng)力和塑性區(qū)分布規(guī)律。

（2）根據(jù)模擬結(jié)果可知，煤柱寬度由3m增加到5m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)激增，垂直應(yīng)力大小從13.3MPa增長到22MPa左右，3～5m煤柱留設(shè)可以滿足沿空掘巷。當(dāng)煤柱寬度為5m時(shí)，煤柱中間部位將出現(xiàn)小范圍的彈性區(qū)，此時(shí)的煤柱變形最為穩(wěn)定。