孤島綜放工作面沿空掘巷煤柱合理寬度的確定

郭喜斌

【摘 要】 針對(duì)孤島工作面圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜和回采巷道變形嚴(yán)重，留大煤柱沿空掘巷造成資源浪費(fèi)等問(wèn)題，文章采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段，對(duì)護(hù)巷煤柱合理寬度進(jìn)行研究。結(jié)果表明：1）理論計(jì)算得到窄煤柱最小寬度為7.8m;2）數(shù)值模擬得到煤柱寬度為9m時(shí)，能保證自身穩(wěn)定并有效支撐上覆巖層，提高了煤炭回收利用率?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，2104運(yùn)輸順槽留9m窄煤柱并進(jìn)行有效加固后，巷道變形得到有效控制。本文為孤島工作面沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度的確定提供了參考。

【關(guān)鍵詞】 孤島工作面;綜放開(kāi)采;沿空掘巷;煤柱寬度;數(shù)值模擬

【中圖分類號(hào)】 TD822.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2020）04-0019-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

煤柱合理寬度的確定是維護(hù)沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性的重要影響因素。而相對(duì)于常規(guī)工作面而言，受鄰近工作面回采影響，孤島綜放工作面圍巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、礦壓顯現(xiàn)劇烈，回采巷道變形較大。確定合理的護(hù)巷煤柱寬度，是有效控制孤島工作面沿空掘巷圍巖變形，確保工作面安全回采的重要措施。對(duì)此，許多學(xué)者和礦山科技工作者進(jìn)行了大量的研究。秦小衛(wèi)采用理論分析和數(shù)值模擬等方法確定了章村礦孤島工作面護(hù)巷煤柱寬度為3m時(shí)，最有利于防范沖擊地壓并能對(duì)孤島工作面進(jìn)行最大限度的回采。段軍等采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)比分析了寬度為4～12m的煤柱應(yīng)力、塑性區(qū)分布和位移情況，確定了某礦孤島工作面煤柱合理寬度大于8m。趙寧、王晨輝和楊小軍等分別就孤島工作面沿空掘巷煤柱合理寬度進(jìn)行了研究。本文以山西某礦2104孤島綜放工作面沿空掘巷為研究對(duì)象，結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果，確定了護(hù)巷窄煤柱的合理寬度并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，為孤島工作面沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度的確定提供了參考。

1工程概況

山西某礦目前主采2#煤層，該煤層平均埋深為326m，均厚4.2m，煤層平均傾角5°。該煤層為地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層內(nèi)賦存有厚度為0.2～0.4m炭質(zhì)泥巖夾矸。2#煤層頂?shù)装迩闆r如圖1所示。

2#煤層2104工作面位于井田西南部一采區(qū)，地面標(biāo)高+652～664m，井下標(biāo)高+435～485m，埋深140m。該工作面南、北和東側(cè)依次為2102、2106和2303工作面采空區(qū)，西側(cè)為實(shí)體煤，故2104工作面為三面采空的孤島工作面。2104工作面采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤工藝進(jìn)行回采。2104孤島工作面布設(shè)位置如圖2所示。

2沿空留巷煤柱寬度理論分析

2104孤島工作面留窄煤柱沿空掘巷如圖3所示。上一工作面回采導(dǎo)致采空區(qū)邊緣基本破斷和垮落，形成一個(gè)弧形塊體（如圖3中B塊體所示），進(jìn)而在采空區(qū)邊緣形成一定范圍的卸壓區(qū)，在該區(qū)內(nèi)布設(shè)回采巷道易于維護(hù)。而隨著采空區(qū)上覆巖層的破斷和垮落，在側(cè)向支承壓力作用下沿空掘巷護(hù)巷窄煤柱易在兩側(cè)形成塑性區(qū)，而在煤柱中部形成彈性區(qū)。由煤柱保持穩(wěn)定的力學(xué)條件可知，沿空掘巷所留設(shè)的窄煤柱在保留有一定寬度的彈性區(qū)的同時(shí)，確保煤柱寬度大于塑性區(qū)寬度。

式（1）和（2）中，B為合理煤柱寬度，m;x1為錨桿有效支護(hù)長(zhǎng)度，m;x2煤柱穩(wěn)定系數(shù);x3煤柱塑性區(qū)寬度，m;λ為比例系數(shù)。結(jié)合概況2104工作面實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)情況可知，x1取2.4m，x3取4.1m，λ取0.2，分別帶入式（1）和（2），計(jì)算得到2104孤島工作面沿空掘巷護(hù)巷窄煤柱寬度為B≥7.8m。即當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度最小為7.8m時(shí)，可確保護(hù)巷煤柱和沿空掘巷圍巖穩(wěn)定。

3沿空留巷煤柱合理寬度數(shù)值模擬分析

根據(jù)該礦2#煤層2104工作面具體地質(zhì)情況和巖石物理力學(xué)測(cè)試報(bào)告，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立計(jì)算模型，所建立的數(shù)值模型尺寸為300×200×80m（長(zhǎng)×寬×高）。模型上邊界施加3.5MPa的均布載荷，下邊界和左右兩端邊界固定位移。所建立的數(shù)值模型如圖4所示。

在模型建立完成并平衡后，首先開(kāi)挖2102和2106工作面，并待工作面開(kāi)挖完畢且穩(wěn)定后掘進(jìn)2104運(yùn)輸順槽，護(hù)巷窄煤柱寬度分別按7、8、9和10m四個(gè)方案留設(shè)，最后開(kāi)挖2104工作面。在護(hù)巷窄煤柱內(nèi)部設(shè)有應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以獲取不同寬度煤柱應(yīng)力隨工作面推進(jìn)的變化數(shù)據(jù)，進(jìn)而為沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定提供依據(jù)。不同寬度護(hù)巷窄煤柱垂直應(yīng)力變化數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可知，不同寬度煤柱的垂直應(yīng)力隨距煤柱幫距離的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。受2104運(yùn)輸順槽掘進(jìn)和2104工作面回采的影響，護(hù)巷煤柱寬度為7m時(shí)，應(yīng)力峰值為10.92MPa小于2104工作面圍巖原巖應(yīng)力的12.75MPa，說(shuō)明該寬度的煤柱不足以承載上覆巖層重量而發(fā)生嚴(yán)重破壞，其整個(gè)寬度范圍內(nèi)均為發(fā)生塑性變形破壞而不存在彈性區(qū)，導(dǎo)致其承載能力喪失。

當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為8m時(shí)，其應(yīng)力峰值為12.77MPa，與該工作面圍巖的原巖應(yīng)力大小相當(dāng)，說(shuō)明寬度為8m的護(hù)巷煤柱處于極限平衡狀態(tài)。該寬度的護(hù)巷煤柱承載能力相較于寬度為7m的煤柱承載能力雖略有增強(qiáng)，也沒(méi)有發(fā)生顯著破壞，但仍有可能發(fā)生破壞。

當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度增大至9m時(shí)，煤柱應(yīng)力峰值為14.29MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.12，說(shuō)明煤柱寬度增大至9m時(shí)其承載能力顯著增強(qiáng)，煤柱內(nèi)部具有一定范圍的彈性核區(qū)，故2104工作面護(hù)巷煤柱寬度至少應(yīng)為9m。

當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度增大至10m時(shí)，煤柱應(yīng)力峰值為17.64MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.38，說(shuō)明隨著煤柱寬度增大其承載能力不斷增強(qiáng)。

綜合理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果可知，2104工作面護(hù)巷煤柱寬度為9m時(shí)能有效支撐上覆巖層并保證自身穩(wěn)定。此外，煤柱承載能力隨其寬度增加而增強(qiáng)，但為了提高煤炭資源回收利用率和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，將2104孤島工作面沿空掘巷護(hù)巷窄煤柱的合理寬度確定為9m。

4工業(yè)性實(shí)驗(yàn)

該礦2104孤島工作面運(yùn)輸順槽采用寬度為9m的沿空掘巷，并根據(jù)該工作面實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)巷道進(jìn)行了支護(hù)加固。為了探究寬度為9m的護(hù)巷煤柱是否滿足該工作面生產(chǎn)需求，本文采用十字布點(diǎn)法對(duì)2104工作面回采過(guò)程中2104運(yùn)輸順槽圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)護(hù)巷窄煤柱寬度為9m時(shí)，2104運(yùn)輸順槽表面移近量隨距工作面距離的增加呈現(xiàn)出現(xiàn)快速減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，且該巷道頂?shù)装逡平匡@著大于兩幫移近量。此外，2104運(yùn)輸順槽頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為290.36mm和148.93mm，隨距工作面距離的增加，其頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e穩(wěn)定在100和25mm，巷道圍巖未發(fā)生顯著變形和破壞，巷道變形得到有效控制，表明護(hù)巷窄煤柱寬度為9m時(shí)可保證2104孤島工作面沿空掘巷的穩(wěn)定。

5結(jié)語(yǔ)

理論計(jì)算得到2104孤島工作面沿空掘巷護(hù)巷窄煤柱合理寬度下限為7.8m;

數(shù)值模擬結(jié)果表明，煤柱寬度為9m時(shí)，其承載能力顯著增強(qiáng)且具有一定范圍的彈性核區(qū);

確定了護(hù)巷窄煤柱的合理寬度為9m，且現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明2104工作面運(yùn)輸順槽無(wú)顯著變形和破壞，取得了良好的應(yīng)用效果。

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