特厚煤層綜放工作面護巷煤柱留設(shè)尺寸研究

張文強

(陽煤世德孫家溝煤礦，山西 忻州 036600)

近年來，隨著我國煤礦企業(yè)大力倡導(dǎo)安全高效綠色生產(chǎn)理念，沿空掘巷窄煤柱開采技術(shù)取得了顯著成效。不同于沿空留巷的充填墻工藝，沿空掘巷需要在采空區(qū)側(cè)留設(shè)護巷煤柱，以保證巷道的整體穩(wěn)定性及隔絕采空區(qū)[1-2]。由于沿空掘巷臨近采空區(qū)，巷道處于采空區(qū)側(cè)向支承壓力下方，因此護巷煤柱留寬不僅關(guān)系到采區(qū)煤炭資源回收率，也會影響巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境[3]。本文以13313 工作面為工程背景，研究特厚煤層綜放工作面護巷煤柱的合理留設(shè)寬度。

1 工程背景

山西世德孫家溝煤礦13313 工作面位于13#煤層水平三采區(qū)，工作面標高778.4～831.8 m，可采走向長度×傾斜長度為1361 m×210 m，埋深243.2～296.6 m。工作面北部為原同保礦準備巷，南部為13#煤北回風(fēng)巷，西部為尚未開采的13#煤層，東部為13311 綜采工作面采空區(qū)。工作面采用綜采放頂煤法，沿煤層底板走向布置有“一進一回”兩條巷道，其中沿空掘巷工藝施工的回風(fēng)順槽臨近13311 綜放面采空區(qū)，順槽尺寸4.6 m×3.3 m，頂板采用錨網(wǎng)索帶+鋼筋托梁聯(lián)合支護，煤柱幫采用錨索+金屬網(wǎng)+螺紋鋼錨桿聯(lián)合支護?；仫L(fēng)順槽斷面支護如圖1 所示，工作面頂?shù)装鍘r性及力學(xué)性質(zhì)見表1 所示。

圖1 沿空巷道斷面支護方式

表1 巖石力學(xué)性質(zhì)表

2 合理煤柱寬度計算

為使沿空掘巷圍巖處于低應(yīng)力環(huán)境中，根據(jù)上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力的分布形式，巷道應(yīng)盡量靠近采空區(qū)，這樣可使巷道處于支承壓力降低區(qū)。同時為了保證巷道圍巖的整體穩(wěn)定性，護巷煤柱又需要有足夠的寬度以保證自身承載性能。因此采空側(cè)煤體內(nèi)側(cè)向支承壓力的分布特征是確定護巷煤柱合理尺寸的關(guān)鍵。

研究結(jié)果表明[4-5]，上區(qū)段工作面回采結(jié)束后，上覆直接頂巖層冒落充填采空區(qū)，而基本頂巖梁沿采空區(qū)四周破斷形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)。隨著弧形三角塊B 塊回轉(zhuǎn)下沉并最終穩(wěn)定后，采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布將沿B 塊與穩(wěn)定塊A 塊間斷裂線為界分成兩部分，一為近采空區(qū)側(cè)煤壁與斷裂線間的“內(nèi)應(yīng)力場”，二為斷裂線以外向煤體深部方向轉(zhuǎn)移的“外應(yīng)力場”。前者應(yīng)力源為上覆斷裂巖梁結(jié)構(gòu)自重，后者應(yīng)力源為上覆巖層自重及斷裂巖梁傳遞荷載。

“內(nèi)應(yīng)力場”內(nèi)支承壓力F等于工作面初次來壓時上覆基本頂斷裂巖梁自重W，所以有：

式中：

G0-處于塑性狀態(tài)的煤體剛度值；

y0-護幫煤體的平均壓縮量。

根據(jù)上區(qū)段13311 工作面實測數(shù)據(jù)可以得到“內(nèi)應(yīng)力場”寬度S1為15.5 m。為保證綜放沿空巷道布置在“內(nèi)應(yīng)力場”范圍內(nèi)，從而使護巷窄煤柱和沿空巷道處于低應(yīng)力區(qū)，沿空巷道寬度和護巷煤柱寬度之和應(yīng)不大于“內(nèi)應(yīng)力場”寬度，即S1≥L煤柱+L巷寬，由此可以得出煤柱的最大寬度為10.9 m。

此外，如果煤柱尺寸過小，其承載能力過低，不僅不利于煤柱幫錨桿錨索支護，同時也會影響巷道整體穩(wěn)定性。因此，護巷煤柱的寬度下限應(yīng)不低于極限平衡狀態(tài)下的煤柱寬度。

根據(jù)極限平衡理論可得，護巷煤柱的留寬應(yīng)滿足：L煤柱≥x1+x2+x3

式中：

x1-上區(qū)段工作面采動作用下煤體側(cè)松散破碎區(qū)寬度，其計算公式 ；

x2-護巷煤柱錨桿或錨索的有效長度；

x3-護巷煤柱自穩(wěn)性系數(shù)，本文取值為0.2（x1+x2）；

m-煤層厚度；

λ-側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/(1-μ)，μ為泊松比；

φ0-煤層內(nèi)摩擦角；

C0-煤層內(nèi)聚力；

K-應(yīng)力集中系數(shù)；

γ-巖層平均容重；

H-巷道埋深；

Px-煤幫的支護阻力，本文中取其值為 0.2 MPa。

根據(jù)工作面基本情況，計算得出x1=2.2 m，而巷道煤柱幫支護采用4.2 m 錨索，即x2=4.2 m，所以得出L煤柱≥7.7 m。綜上所述，13313 綜放面護巷煤柱合理留設(shè)寬度為7.7～10.9 m。

3 不同煤柱寬度模擬

為分析13311 工作面回采過程中護巷煤柱寬度對巷道圍巖塑性區(qū)分布特征的影響，根據(jù)13313 綜放面賦存特征及回風(fēng)順槽斷面尺寸，通過FLAC3D軟件建立長×寬×高為300 m×150 m×100 m 的數(shù)值計算模型，并根據(jù)沿空巷道斷面尺寸進行開挖前處理。模型頂部施加自重載荷5.2 MPa，側(cè)向施加水平約束，底部施加垂直位移約束，計算采用摩爾-庫侖強度準則，分別對護巷煤柱寬度為7 m、8 m、9 m、10 m、11 m時進行上區(qū)段工作面開挖計算。結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同煤柱寬度下塑性區(qū)分布特征

從圖2 中可以看出，在上區(qū)段工作面回采推進過程中，沿空巷道護巷煤柱兩側(cè)均出現(xiàn)一定寬度的塑性破壞區(qū)，而煤柱內(nèi)部也出現(xiàn)不同寬度的彈性核區(qū)。彈性核區(qū)能夠有效承載覆巖壓力，所以彈性核區(qū)越寬表明煤柱穩(wěn)定性越高，越有利于沿空巷道圍巖的穩(wěn)定。由于當護巷煤柱寬度小于9 m 時，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)在覆巖壓力下發(fā)生貫通，導(dǎo)致護巷煤柱承載能力下降，難以保證巷道的整體穩(wěn)定性，而當煤柱大于9 m 后，雖然彈性核區(qū)相應(yīng)增大，但遺煤量顯著增加，不利于資源回采，所以，綜合數(shù)值模擬結(jié)果，13313綜放面合理最佳護巷煤柱寬度為9 m。

4 巷道圍巖變形觀測

為掌握13313 綜放面回風(fēng)順槽在留設(shè)9 m 寬護巷煤柱時受13311 工作面采動影響下的圍巖變形規(guī)律，通過十字觀測法觀測巷道頂煤下沉量和兩幫移近量，得出巷道支護完成后巷道圍巖的變化過程如圖3 所示。

從圖中可見，巷道頂煤及兩幫變形曲線均表現(xiàn)為先快速增大后逐漸趨于穩(wěn)定的過程，其中頂煤下沉量在成巷30 d 后基本趨于穩(wěn)定，最大值為93 mm，兩幫移近量在25 d 后趨于穩(wěn)定，最大值達到146 mm。巷道圍巖變形量處于允許范圍內(nèi)，說明留設(shè)9 m 寬的護巷煤柱能夠有效保證沿空巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖3 巷道圍巖變形觀測曲線

5 結(jié)論

（1）根據(jù)采空區(qū)側(cè)向“內(nèi)應(yīng)力場”支承壓力分布特征和護巷煤柱極限平衡理論，得出了護巷煤柱的取值區(qū)間計算公式，并結(jié)合13313 綜放面的基本地質(zhì)特征，得到了護巷煤柱的合理留設(shè)寬度為7.7～10.9 m。

（2）通過FLAC3D數(shù)值模擬分析了護巷煤柱寬度為7 m、8 m、9 m、10 m、11 m 時受采動影響下煤柱塑性區(qū)分布范圍和彈性核區(qū)尺寸，得出了13313 綜放工作面最佳護巷煤柱寬度為9 m。

（3）通過觀測沿空巷道頂煤變形量和兩幫移近量的變化過程，發(fā)現(xiàn)其頂煤最大下沉量為93 mm，兩幫最大移近量為146 mm，說明留設(shè)9 m 寬的護巷煤柱能夠有效保證沿空巷道圍巖的穩(wěn)定。