大采高工作面護(hù)巷煤柱合理寬度探討

楊 瑜

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

干河煤礦所采2#煤層平均厚度4.2 m，夾有0.55 m和0.10 m兩層矸石，平均傾角6°。煤層直接底、直接頂均為砂質(zhì)泥巖，老底、老頂分別為K7與K8中粒砂巖，目前2-105 大采高綜采工作面進(jìn)入末采階段，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，2-105 工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖1。該工作面東側(cè)臨近的2-107 工作面為準(zhǔn)備工作面。該礦工作面之間采用20 m傳統(tǒng)煤柱進(jìn)行護(hù)巷，缺乏理論依據(jù)。為了科學(xué)的留設(shè)工作面保護(hù)煤柱，現(xiàn)對(duì)2-105 工作面與2-107 工作面之間合理保護(hù)煤柱寬度進(jìn)行研究，以求在保證2-107 工作面安全回采的基礎(chǔ)上縮小工作面護(hù)巷煤柱的寬度，提升煤炭資源回收率。

圖1 2-105 工作面順槽支護(hù)參數(shù)

2 護(hù)巷煤柱合理寬度理論計(jì)算

極限平衡理論、彈性核理論計(jì)算法及載荷估算法為目前工作面護(hù)巷煤柱的主要理論計(jì)算方法，綜合運(yùn)用三種煤柱寬度計(jì)算方法得到干河煤礦2-107工作面沿空護(hù)巷煤柱的合理寬度。

2.1 極限平衡理論計(jì)算法

極限平衡理論認(rèn)為沿空巷道開(kāi)挖后，所留設(shè)煤柱中靠近巷道部分煤體由支護(hù)體系進(jìn)行控制，靠近采空區(qū)部分煤體受應(yīng)力作用而進(jìn)入塑性狀態(tài)，兩部分煤體之間存在一定極限寬度的煤體維持整個(gè)煤柱的穩(wěn)定。極限平衡理論煤柱計(jì)算模型見(jiàn)圖1，煤柱合理寬度的計(jì)算見(jiàn)式（1）［1］。

圖2 限平衡理論沿空巷道柱寬度計(jì)算模型

式中：X為極限平衡理論下所得合理煤柱寬度，m；X0為所留煤柱中靠近上工作面采空區(qū)煤壁無(wú)支護(hù)下產(chǎn)生塑性區(qū)的寬度，通過(guò)式（2）計(jì)算；X1為沿空掘巷所留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性系數(shù)，通過(guò)X1=0.3（X0+X2）計(jì)算；X2為所留煤柱靠近巷道一側(cè)由巷道支護(hù)體系中錨桿有效錨固煤體的長(zhǎng)度，取2.4 m。

式中：C0為煤層黏聚力，取3 MPa；λ為沿空巷道所處應(yīng)力環(huán)境下的側(cè)壓系數(shù)，取1.5；m為采高，4.2 m；k為沿空巷道所處應(yīng)力環(huán)境下的應(yīng)力集中系數(shù)，取3；φ0為煤的內(nèi)摩擦角，取18°；P0為道支護(hù)體系下煤柱幫支護(hù)阻力，取0.5 MPa；H為沿空巷道埋深，取210 m；γ為煤層覆巖平均容重，26.8 kN/m3。

參數(shù)代入式（2）得到X0=9.24 m，進(jìn)而得到X1=0.3（X0+X2）=3.5 m，上述計(jì)算結(jié)果代入式（1）最終得到極限平衡理論下2-107 工作面回風(fēng)順槽沿空掘巷合理煤柱寬度應(yīng)為15.14 m。

2.2 彈性核理論計(jì)算法

彈性核理論要求煤柱中部有分隔兩側(cè)塑性區(qū)的彈性區(qū)域，且煤柱中部彈性區(qū)的寬度要大于等于2 倍的煤層采高，使得彈性核理論［2］下煤柱的合理寬度由式（3）得到，即由煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)和中部的彈性區(qū)共三部分構(gòu)成。

式中：X0與上文含義相同，2m為二倍煤層采高，取8.4 m；X3為煤柱靠近巷道一側(cè)應(yīng)力作用下形成的塑性區(qū)寬度，由式（4）計(jì)算得到。

式中：α 與K 為廣義Mises 準(zhǔn)則系數(shù)，α=sinφ0/；f0為頂?shù)装鍘r層與所留設(shè)煤柱間的摩擦因數(shù)，取1.1；將參數(shù)代入式（4）得到X3=0.15 m。將上述計(jì)算結(jié)果代入式（3）即得到彈性核理論下2-107工作面回風(fēng)順槽沿空掘巷合理煤柱寬度應(yīng)為17.79 m。

2.3 載荷估算法

載荷估算法要求合理寬度的煤柱所具備的極限強(qiáng)度應(yīng)大于等于煤柱所承受的載荷，才能保證煤柱的穩(wěn)定性，而煤柱所承受載荷［3］由煤柱上方覆巖自重、煤柱側(cè)向破斷未垮落覆巖重量、未隨采垮落覆巖傳遞應(yīng)力共同構(gòu)成，由式（5）得到：

式中：D為工作面斜長(zhǎng)，取180 m；L為載荷估算法下的合理的煤柱寬度，m；δ為上工作面采空后覆巖垮落角，取13°，煤柱的極限強(qiáng)度由式（6）計(jì)算得到：

式中：RC為所采煤層煤的單軸抗壓強(qiáng)度，取8 MPa。而煤柱所受平均應(yīng)力σ=P/R。當(dāng)時(shí)σ≤R，煤柱可保持穩(wěn)定，聯(lián)立式（5）、（6）得到B≥16.4 m。

綜上，極限平衡理論、彈性核理論及載荷估算法所得2-107 工作面回風(fēng)順槽護(hù)巷煤柱的合理寬度分別為：15.14 m、17.79 m、大于等于16.4 m。為了便于現(xiàn)場(chǎng)施工，最終確定2-107 工作面護(hù)巷煤柱的合理寬度為18 m。

3 護(hù)巷煤柱合理性數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

通過(guò)UDEC軟件［4］選用Mohr-coulomb模型結(jié)合該工作面圍巖的具體力學(xué)參數(shù)，模型頂部施加6 MPa的垂直應(yīng)力代替覆巖應(yīng)力，建立2-107 工作面留設(shè)18 m護(hù)巷煤柱掘巷模型；模型高64 m、長(zhǎng)160 m、寬60 m；模型四周及底部設(shè)置位移約束，對(duì)該護(hù)巷煤柱寬度下2-107 工作面回風(fēng)順槽圍巖變形情況及煤柱內(nèi)鉛直應(yīng)力的變化情況進(jìn)行分析，驗(yàn)證18 m寬護(hù)巷煤柱的合理性，2-107 工作面圍巖的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 2#煤層頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

因?yàn)楣ぷ髅娑祟^處回采巷道圍巖破壞受到巷道掘進(jìn)和回采的雙重影響，并且是決定工作面能否正常安全回采的關(guān)鍵部位，所以選取該處進(jìn)行回風(fēng)順槽的表面位移數(shù)值模擬?；仫L(fēng)順槽左側(cè)為2-105工作面采空區(qū)，中間留設(shè)18 m寬的護(hù)巷煤柱，支護(hù)參數(shù)同圖1。在煤柱從沿空側(cè)到實(shí)體煤一側(cè)上，每隔2 m布置一個(gè)鉛直應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共A1—A7七個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)煤柱內(nèi)部的應(yīng)力變化，并使用“十字測(cè)量法”對(duì)巷道的表面位移情況進(jìn)行記錄。

3.2 推進(jìn)方案

第一步：運(yùn)算UDEC數(shù)值模型至初始平衡；第二步：分9 次開(kāi)挖左側(cè)2-105 工作面，每次開(kāi)挖10 m，整個(gè)2-105 工作面開(kāi)挖過(guò)程運(yùn)行19 萬(wàn)次達(dá)到平衡；第三步：留設(shè)18 m護(hù)巷煤柱，開(kāi)挖2-107 工作面回風(fēng)順槽，模擬巷道支護(hù)采用圖1 的基礎(chǔ)支護(hù)，運(yùn)行8 萬(wàn)步模型達(dá)到最終平衡。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3 為18 m 煤柱護(hù)巷條件下巷道圍巖及煤柱的應(yīng)力應(yīng)變特征圖。其中，圖3（a）為回風(fēng)順槽圍巖變形情況；圖3（b）為煤柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)鉛直應(yīng)力變化；圖3（c）為垂直位移情況；圖3（d）為水平位移情況。

圖3 18 m煤柱護(hù)巷條件下圍巖及煤柱的應(yīng)力應(yīng)變

圖3（a）反映了2-107 工作面回風(fēng)順槽掘巷完成后，18 m護(hù)巷煤柱及圍巖變形情況；圖3（b）統(tǒng)計(jì)了回風(fēng)順槽掘巷前后18 m煤柱內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)鉛直應(yīng)力變化情況。觀察圖3（b）發(fā)現(xiàn)，由于順槽未開(kāi)挖前的煤體的鉛直應(yīng)力，在順槽開(kāi)挖穩(wěn)定后全部由18 m護(hù)巷煤柱承擔(dān)，所以在回風(fēng)順槽開(kāi)挖后護(hù)巷煤柱內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的鉛直應(yīng)力都有所增加。在回風(fēng)順槽掘巷前，煤柱的平均鉛直應(yīng)力為6.11 MPa，在回風(fēng)順槽掘巷后，煤柱的平均鉛直應(yīng)力上升至9.23 MPa。7 個(gè)測(cè)點(diǎn)中，A1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的鉛直應(yīng)力在掘巷前為0.37 MPa，在回風(fēng)順槽掘巷后增加至1.67 MPa，該點(diǎn)最大鉛直應(yīng)力的增加量為順槽開(kāi)挖前的4.5 倍。說(shuō)明煤柱在巷道開(kāi)挖后能夠起到良好的支承作用，18 m護(hù)巷煤柱較穩(wěn)定，留設(shè)18 m護(hù)巷煤柱的方案可行。觀察圖（c）發(fā)現(xiàn)，2-107 工作面回風(fēng)順槽掘巷施工完成后，回風(fēng)順槽頂板的下沉量為0.15～0.25 m，底板的鼓起量為0.1～0.2 m。圖（d）顯示，回風(fēng)順槽內(nèi)煤柱幫移近量為0.2～0.3 m，實(shí)體煤幫的移近量為0～0.1 m。

由以上分析得，18 m護(hù)巷煤柱在回風(fēng)順槽掘巷后所受鉛直應(yīng)力迅速升高，7 個(gè)測(cè)點(diǎn)中最大鉛直應(yīng)力增加至掘巷前的4.5 倍，且巷道掘進(jìn)后圍巖變形在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明煤柱在巷道開(kāi)挖后能夠起到良好的支承作用，18 m寬的護(hù)巷煤柱較穩(wěn)定，留設(shè)18 m護(hù)巷煤柱方案可行。

4 應(yīng)用效果分析

干河煤礦現(xiàn)場(chǎng)留設(shè)18 m護(hù)巷煤柱掘進(jìn)2-107工作面回風(fēng)順槽，上工作面回采結(jié)束垮落穩(wěn)定后，本工作面回采過(guò)程中，在超前工作面50 m處2-107回風(fēng)順槽與2-105 工作面采空區(qū)之間煤柱內(nèi)布置鉆孔應(yīng)力計(jì)測(cè)點(diǎn)，煤柱內(nèi)部0～18 m深度上每遞增2 m布置一個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，共9 個(gè)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。18 m護(hù)巷煤柱內(nèi)支承壓力分布曲線見(jiàn)圖5。

圖4 護(hù)巷煤柱內(nèi)不同深度鉆孔應(yīng)力計(jì)布置

圖5 2-107工作面回采過(guò)程中18 m護(hù)巷煤柱內(nèi)部支承壓力分布曲線

圖5 顯示，2-107 工作面回采至距測(cè)點(diǎn)15 m和5 m時(shí)，煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力峰值分別為17.6 MPa和49 MPa，即距工作面越近煤柱所受支承壓力越高；但是測(cè)點(diǎn)距工作面不同距離時(shí)煤柱內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力集中的位置基本相同，圖5 中煤柱距工作面15 m時(shí)煤柱內(nèi)部彈性核寬度為12 m，距工作面5 m時(shí)煤柱內(nèi)部彈性核寬度為11.6 m，距工作面不同距離時(shí)煤柱內(nèi)彈性核寬度均大于2 倍的煤層采高，故18 m寬煤柱可以保證2-107 工作面的安全回采。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合干河煤礦2-107 工作面回風(fēng)順槽的具體地質(zhì)條件，通過(guò)理論計(jì)算確定了該工作面合理的護(hù)巷煤柱寬度為18 m，并運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)18 m護(hù)巷煤柱的合理性進(jìn)行驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)18 m護(hù)巷煤柱內(nèi)部布置鉆孔應(yīng)力計(jì)實(shí)測(cè)的應(yīng)力變化情況表明，煤柱中部存在寬度大于2 倍采高的彈性核，可以保證2-107 工作面的安全回采，因此該工作面留設(shè)18 m寬度煤柱進(jìn)行護(hù)巷合理。