緩傾斜厚煤層淺部回采區(qū)段煤柱留設(shè)寬度優(yōu)化

張志沛, 李 鋒

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院， 西安 710054)

區(qū)段煤柱的留設(shè)一直是煤礦設(shè)計(jì)人員關(guān)心的話題。優(yōu)化的區(qū)段煤柱能夠提高煤層回采安全性和煤炭回收率，避免了國(guó)有財(cái)產(chǎn)的流失；同時(shí)中國(guó)的緩傾斜厚煤層淺部煤炭?jī)?chǔ)量大，煤質(zhì)良好。因此進(jìn)行區(qū)段煤柱留設(shè)寬度優(yōu)化研究對(duì)于緩傾斜厚煤層淺部回采意義重大。

前人在研究區(qū)段煤柱方面取得了很大的進(jìn)展。劉金海等[1]采用微地震監(jiān)測(cè)、理論計(jì)算等方法得到了深井特厚煤層區(qū)段煤柱的合理寬度；張國(guó)華等[2]得到了中厚煤層區(qū)段煤柱合理寬度理論計(jì)算公式；張小艷等[3]建立了較為真實(shí)反映地下巖層形態(tài)、產(chǎn)狀和巖石品位的三維數(shù)值模型，為區(qū)段煤柱合理留設(shè)研究提供建?；A(chǔ)；屠洪盛等[4]得到了急傾斜煤層區(qū)段煤柱主要受到沿傾向的剪切破壞、向采空區(qū)滑落破壞方式的結(jié)論；祁和剛等[5]研究了深部礦井高應(yīng)力區(qū)段煤柱底板破壞特征；霍永釗[6]以官地礦13510工作面為對(duì)象，研究不同寬度煤柱的應(yīng)力分布與承載能力；張曉虎等[7]通過(guò)非線性突變理論方法得到了煤柱失穩(wěn)的靜力學(xué)判據(jù)及煤柱運(yùn)動(dòng)的混沌特征；袁瑞甫等[8]研究了傾斜煤層開(kāi)采后，覆巖演化特征、區(qū)段煤柱的變形和失穩(wěn)破壞特征；曹峰等[9]通過(guò)進(jìn)行動(dòng)壓影響下巷道變形特征的研究，為區(qū)段煤柱合理留設(shè)提供了依據(jù)；張科學(xué)等[10]得到了大煤柱內(nèi)部進(jìn)行沿空掘巷煤柱寬度確定方法；楊俊哲等[11]通過(guò)分析不同寬度區(qū)段煤柱應(yīng)力和塑性特征得到了區(qū)段煤柱的合理寬度；張宇菲等[12]通過(guò)分析楊莊礦區(qū)不同寬度煤柱下巷道圍巖主應(yīng)力差、支護(hù)受力和圍巖位移等變化確定煤柱合理寬度；白進(jìn)龍[13]研究了張家峁14204工作面區(qū)段煤柱合理寬度。楊竹軍[14]采用非爆破方法實(shí)現(xiàn)基本頂斷裂主動(dòng)控制，降低了覆巖關(guān)鍵塊對(duì)區(qū)段煤柱附加荷載。

前人通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)分析的方法在區(qū)段煤柱的力學(xué)特征和變形破壞機(jī)制方面取得了豐碩的成果，使區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化研究較為準(zhǔn)確。區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化研究還存在明顯的不足：首先，大多數(shù)學(xué)者致力于厚煤層深部區(qū)段煤柱研究，成果豐碩，然而針對(duì)緩傾斜厚煤層淺部區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化研究較少；其次，在區(qū)段煤柱應(yīng)力分析中僅考慮了主應(yīng)力差的影響，然而忽略了摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則中摩爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線的位置關(guān)系，使應(yīng)力分析缺乏理論支撐；最后，在區(qū)段煤柱寬度優(yōu)化方面缺乏煤層回采過(guò)程中巷道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形破壞特征及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證的綜合分析。因此，現(xiàn)以某煤礦地質(zhì)與設(shè)計(jì)資料為背景，采用數(shù)值模擬方法分析不同煤柱寬度下煤層回采時(shí)巷道圍巖主應(yīng)力、塑性區(qū)、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移變化特征，確定煤柱留設(shè)優(yōu)化寬度，結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行驗(yàn)證，以為當(dāng)?shù)仡愃凭弮A斜厚煤層淺部區(qū)段煤柱留設(shè)提供借鑒，并且進(jìn)一步完善區(qū)段煤柱研究領(lǐng)域。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地勢(shì)相對(duì)平緩，屬于大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。年平均氣溫15.2 ℃,最熱月平均氣溫27.2 ℃,最冷月平均氣溫1.2 ℃。降水是水資源最主要的補(bǔ)給方式。研究區(qū)內(nèi)含煤地層由灰色泥巖、粉砂巖、中砂巖及煤組成，11024工作面與11025工作面位于二1煤層，煤層的平均厚度為6.2 m，產(chǎn)狀為傾向北東，傾角10°～15°，埋深較淺，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。

11024工作面回風(fēng)巷與相鄰11025工作面運(yùn)輸巷均采用矩形截面，寬度×高度尺寸分別為：4 700 mm×3 500 mm、4 300 mm×3 500 mm，采用沿頂板掘進(jìn)的方式。巷道的兩幫與頂板均用錨桿、錨索與錨網(wǎng)相結(jié)合的支護(hù)方式，頂錨桿采用左螺旋鋼高強(qiáng)度錨桿、規(guī)格為φ24 mm ×3 500 mm、間距為700 mm；兩側(cè)幫錨桿采用左螺旋鋼高強(qiáng)度錨桿、規(guī)格為φ22 mm×2 800 mm、間距為800 mm；錨索采用規(guī)格為φ17.8 mm×10 000 mm鋼絞線、間距為700 mm。

2 數(shù)值模型與材料參數(shù)

采用Fast Lagrangian Analysis of Continua 3D軟件對(duì)11024工作面和11025工作面進(jìn)行區(qū)段煤柱寬度為3、6、9、12、15 m的回采模擬，分析不同區(qū)段煤柱下巷道圍巖主應(yīng)力、塑性區(qū)、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移規(guī)律，為確定煤柱合理寬度提供數(shù)值分析基礎(chǔ)。如圖1所示數(shù)值分析模型，尺寸為長(zhǎng)度×寬度×高度=150 m×110 m×90 m，共327 440 個(gè)節(jié)點(diǎn)、243 240 個(gè)單元；巷道均為矩形截面，回風(fēng)巷道模型截面尺寸為4 700 mm×3 500 mm，運(yùn)輸巷道模型截面尺寸為4 300 mm×3 500 mm；為了提高分析模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照距離巷道越遠(yuǎn)處模型網(wǎng)格單元越稀疏的原則，確定了網(wǎng)格的加密區(qū)和稀疏區(qū)；模型表面根據(jù)實(shí)際情況為自由地面，沒(méi)有約束，四周與底部考慮了工作面回采的影響范圍進(jìn)行了固定。

圖1 數(shù)值分析模型Fig.1 Numerical analysis model

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得到巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，巖土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系、泊松比為0.25～0.34，并選用彈塑性模型。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock-soil body

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用數(shù)值模擬軟件，首先對(duì)模型進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)平衡計(jì)算；其次，進(jìn)行煤層11024工作面和11025工作面巷道開(kāi)挖與支護(hù)計(jì)算；然后，進(jìn)行煤層11024工作面回采計(jì)算；最后，進(jìn)行煤層工作面巷道圍巖計(jì)算結(jié)果分析。

3.1 主應(yīng)力分析

基于莫爾-庫(kù)倫直線強(qiáng)度理論，巖石剪切破壞狀態(tài)取決于最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。當(dāng)最大、小主應(yīng)力確定的莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線相交時(shí)，巖石處于破壞狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相切時(shí)，巖石處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)力圓與強(qiáng)度線相離時(shí)，巖石處于安全狀態(tài)。巖石的主應(yīng)力差反應(yīng)莫爾應(yīng)力圓的大小，結(jié)合最小主應(yīng)力確定摩爾應(yīng)力圓的位置與形態(tài)，因此通過(guò)分析最小主應(yīng)力與主應(yīng)力差確定應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線的關(guān)系，評(píng)價(jià)巷道圍巖的穩(wěn)定性。假設(shè)σ1、σ2和σ3分別表示巖石的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，則主應(yīng)力差為σs=|σ1-σ3|。

通過(guò)數(shù)值模擬軟件進(jìn)行11024工作面與11025工作面區(qū)段煤柱寬度為3、6、9、12、15 m時(shí)巷道形成及煤層回采模擬，得到如圖2所示不同煤柱寬度下巷道圍巖主應(yīng)力差圖。

圖2 不同煤柱寬度下巷道圍巖主應(yīng)力差圖Fig.2 Principal stress difference of roadway surrounding rock with different coal pillar widths

(1)在巷道角隅處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。實(shí)體煤側(cè)角隅比區(qū)段煤柱側(cè)角隅集中程度高，說(shuō)明實(shí)體煤側(cè)角隅形成的莫爾應(yīng)力圓半徑較大；在巷道頂、底板及側(cè)幫中部，主應(yīng)力差相比周圍巖石小，形成的莫爾應(yīng)力圓半徑小。

(2)巷道兩側(cè)產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著煤柱寬度的減小，區(qū)段煤柱兩側(cè)最大主應(yīng)力差逐漸降低；區(qū)段煤柱由兩處應(yīng)力集中區(qū)域向單一應(yīng)力集中區(qū)域轉(zhuǎn)化，應(yīng)力集中區(qū)域所占煤柱區(qū)域的比例升高。

由于巷道兩側(cè)的煤柱主應(yīng)力差復(fù)雜，為了更深層地研究煤柱的應(yīng)力差變化規(guī)律，以巷道寬度方向?yàn)閭?cè)線方向，設(shè)置回風(fēng)巷實(shí)體煤側(cè)壁中點(diǎn)深部4 m為起始監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距1 m，得到如圖3所示不同煤柱寬度下監(jiān)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力差曲線圖。

圖3 不同煤柱寬度下監(jiān)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力差曲線圖Fig.3 Principal stress difference curve of monitoring points with different coal pillar widths

(3)實(shí)體煤主應(yīng)力差隨煤柱寬度變化不明顯。區(qū)段煤柱主應(yīng)力差曲線隨著煤柱寬度減小由雙峰逐漸轉(zhuǎn)化為單峰狀態(tài)，峰值處的主應(yīng)力差減小，谷底處的主應(yīng)力差增大，并且主應(yīng)力差集中區(qū)域占煤柱的比例增大。表明：區(qū)段煤柱莫爾應(yīng)力圓平均半徑隨著煤柱寬度的減小而增大。

(4)煤柱寬度為9、12、15 m時(shí)，主應(yīng)力差曲線峰值處與谷底處的主應(yīng)力差值變化較??；煤柱寬度為3 m和6 m時(shí)，峰值處的主應(yīng)力差減小和谷底處的主應(yīng)力差增大顯著，說(shuō)明在3 m和6 m區(qū)段煤柱容易產(chǎn)生破壞現(xiàn)象。

為了評(píng)價(jià)巷道圍巖穩(wěn)定性，除了掌握圍巖主應(yīng)力差確定的莫爾圓半徑外，還需分析圍巖的最小主應(yīng)力，確定莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線的關(guān)系，判斷圍巖的變形破壞狀態(tài)。如圖4所示為不同煤柱寬度下巷道圍巖最小主應(yīng)力圖。

圖4 不同煤柱下巷道圍巖最小主應(yīng)力圖Fig.4 Minimum principal stress of roadway surrounding rock with different coal pillar widths

(1)巷道頂板中部最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力，并且主應(yīng)力差小。說(shuō)明在巷道頂板中部拉應(yīng)力集中，并且?guī)r石的抗拉強(qiáng)度低，容易發(fā)生巖石拉斷破壞現(xiàn)象。

(2)巷道角隅處巖石最小主應(yīng)力小、主應(yīng)力差大，形成的莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線相交，表明在巷道角隅巖石發(fā)生剪切破壞現(xiàn)象。

(3)巷道兩側(cè)產(chǎn)生了最小主應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象。隨著煤柱寬度的減小，區(qū)段煤柱由兩處應(yīng)力擴(kuò)散區(qū)域向單一應(yīng)力擴(kuò)散區(qū)域轉(zhuǎn)化，應(yīng)力擴(kuò)散區(qū)域所占煤柱區(qū)域的比例升高，煤柱內(nèi)最小主應(yīng)力平均值減小，并且煤柱莫爾應(yīng)力圓平均半徑較大，因此隨著煤柱寬度的減小，煤柱內(nèi)部越容易發(fā)生煤層剪切破壞現(xiàn)象，影響巷道圍巖穩(wěn)定性。

為了準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)巷道圍巖穩(wěn)定性，繪制如圖5所示不同煤柱寬度下監(jiān)測(cè)點(diǎn)最小主應(yīng)力曲線圖，分析巷道兩側(cè)煤柱的最小主應(yīng)力，并結(jié)合主應(yīng)力差研究成果，判別煤柱的變形破壞狀態(tài)，評(píng)價(jià)巷道圍巖穩(wěn)定性。

圖5 不同煤柱寬度下監(jiān)測(cè)點(diǎn)最小主應(yīng)力曲線圖Fig.5 Minimum principal stress curve of monitoring points with different coal pillar widths

(4)針對(duì)巷道實(shí)體煤側(cè)，在煤柱寬度為9 m、12 m和15 m時(shí)最小主應(yīng)力和主應(yīng)力差無(wú)顯著變化，莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線相離，處于安全狀態(tài)，巷道圍巖穩(wěn)定；在煤柱寬度為3 m和6 m時(shí)距離實(shí)體煤幫2 m內(nèi)最小主應(yīng)力顯著減小，主應(yīng)力差集中程度大，莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線相交，處于剪切破壞狀態(tài)，巷道圍巖不穩(wěn)定。

(5)針對(duì)巷道區(qū)段煤柱側(cè)，不同煤柱寬度下最小主應(yīng)力曲線為單峰狀態(tài)。隨著煤柱寬度的減小，單峰處的最小主應(yīng)力依次減小，煤柱寬度從15 m降至9 m過(guò)程中最小主應(yīng)力減小不顯著，應(yīng)力圓半徑小，確定的莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線相離，煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)；煤柱寬度從6 m降至3 m過(guò)程中單峰處的最小主應(yīng)力減小顯著，應(yīng)力圓半徑較大，煤柱處于破壞狀態(tài)，巷道圍巖不穩(wěn)定。

3.2 塑性區(qū)分析

結(jié)合主應(yīng)力研究成果分析如圖6所示不同煤柱寬度下巷道圍巖變形破壞特征，判斷巷道圍巖變形破壞狀態(tài)，確定巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖6 不同煤柱寬度下巷道圍巖變形破壞特征圖Fig.6 Deformation and failure characteristics of roadway surrounding rock with different pillar widths

(1)巷道角隅處巖石產(chǎn)生剪切破壞，實(shí)體煤柱側(cè)角隅比區(qū)段煤柱側(cè)角隅破壞程度大；巷道頂、底板及側(cè)幫中部過(guò)去出現(xiàn)了巖石拉斷破壞，任建喜等[15]提出矩形斷面硐室為直線型周邊，容易出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)且?guī)r石的抗拉強(qiáng)度低，使得巖石容易出現(xiàn)拉斷破壞，影響硐室穩(wěn)定。此次模擬結(jié)果與理論高度一致。

(2)煤柱寬度為9、12、15 m時(shí)，巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；煤柱寬度為6 m時(shí)，巷道兩側(cè)出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象，區(qū)段煤柱僅存在30%彈性區(qū)域，難以長(zhǎng)期服務(wù)巷道生產(chǎn)需要，巷道圍巖不穩(wěn)定；煤柱寬度為3 m時(shí)，區(qū)段煤柱塑性區(qū)域貫通，巷道圍巖不穩(wěn)定。這與主應(yīng)力分析的結(jié)果相吻合，說(shuō)明主應(yīng)力研究成果能合理地解釋巷道周圍煤柱破壞狀態(tài)。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

通過(guò)對(duì)巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要受力部位與范圍，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。巷道圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)主要由錨桿、錨索和水泥漿組成，本次模擬發(fā)現(xiàn)錨桿與錨索抗力學(xué)性能強(qiáng)，安全系數(shù)高，穩(wěn)定性高，但是水泥漿的穩(wěn)定性差。水泥漿的破壞會(huì)使錨桿、錨索失效，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，影響巷道圍巖穩(wěn)定性。因此以支護(hù)結(jié)構(gòu)水泥漿為研究對(duì)象，得到如圖7所示不同煤柱寬度下巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)水泥漿應(yīng)力圖。

圖7 不同煤柱寬度下巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)水泥漿應(yīng)力圖Fig.7 Grout stress of support structure of roadway surrounding rock with different coal pillar widths

(1)對(duì)于巷道頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)水泥漿應(yīng)力，錨索水泥漿主要為拉應(yīng)力集中且位于底部，錨桿水泥漿主要為壓應(yīng)力集中且位于頂部。對(duì)于錨索水泥漿底部拉應(yīng)力而言，偏向?qū)嶓w煤側(cè)錨索水泥漿拉應(yīng)力大于偏向區(qū)段煤柱側(cè)水泥漿拉應(yīng)力，但小于中部錨索水泥漿拉應(yīng)力；對(duì)于錨桿水泥漿頂部壓應(yīng)力而言，偏向區(qū)段煤柱側(cè)錨桿水泥漿壓應(yīng)力大于中部錨桿水泥漿壓應(yīng)力，但小于偏向?qū)嶓w煤側(cè)錨桿水泥漿壓應(yīng)力。

(2)對(duì)于巷道角隅錨桿水泥漿應(yīng)力，在水泥漿頂部產(chǎn)生小范圍的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，這與角隅處存在小范圍的較大應(yīng)力相吻合，其他區(qū)域存在較好的承載能力，角隅錨桿水泥漿處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)巷道兩側(cè)錨桿水泥漿頂部主要承受壓力、底部主要承受拉力。錨桿水泥漿頂部壓應(yīng)力表現(xiàn)為巷道兩側(cè)上部錨桿水泥漿壓應(yīng)力大于中部錨桿水泥漿壓應(yīng)力，且小于下部錨桿水泥漿壓應(yīng)力。

從水泥漿應(yīng)力圖中看出，對(duì)于巷道區(qū)段煤柱側(cè)錨桿水泥漿應(yīng)力隨著煤柱寬度變化呈現(xiàn)復(fù)雜變化，為直觀分析錨桿水泥漿應(yīng)力變化特征得到如圖8所示回風(fēng)巷道區(qū)段煤柱側(cè)錨桿水泥漿應(yīng)力曲線圖。

圖8 不同煤柱寬度下回風(fēng)巷道區(qū)段煤柱側(cè)幫錨桿水泥漿應(yīng)力圖Fig.8 Rock bolt stress curve for section coal pillar side of return airway with different pillar widths

(4)錨桿水泥漿主要承受拉力位置在底部，當(dāng)煤柱寬度為12、15 m時(shí)上部錨桿水泥漿拉應(yīng)力大于中部錨桿水泥漿拉應(yīng)力且小于下部錨桿水泥漿拉應(yīng)力；當(dāng)寬度為6、9 m時(shí)上部錨桿水泥漿拉應(yīng)力大于下部錨桿水泥漿拉應(yīng)力且小于中部錨桿水泥漿拉應(yīng)力；當(dāng)寬度為3 m時(shí)上部錨桿水泥漿拉應(yīng)力大于中部錨桿水泥漿拉應(yīng)力且小于下部錨桿水泥漿拉應(yīng)力。

(5)當(dāng)煤柱寬度為9、12、15 m時(shí)，錨桿水泥漿具有良好的承載能力且應(yīng)力集中范圍小，巷道圍巖穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度為6 m時(shí)區(qū)段煤柱中部錨桿水泥漿拉應(yīng)力接近水泥漿抗拉強(qiáng)度，并且拉應(yīng)力集中區(qū)域占錨桿全長(zhǎng)的25%，影響錨桿與穩(wěn)定巖體的相互作用，不利于巷道圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度為3 m時(shí)區(qū)段煤柱錨桿水泥漿拉應(yīng)力接近水泥漿抗拉強(qiáng)度，且上、中、下拉應(yīng)力集中區(qū)域占錨桿的25%、30%和35%，影響巷道圍巖穩(wěn)定。

(6)區(qū)段煤柱錨桿水泥漿主要承受壓力位置在頂部，錨桿水泥漿壓應(yīng)力與煤柱寬度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨著煤柱寬度減小錨桿水泥漿頂部壓應(yīng)力增大。煤柱寬度從15 m降到9 m的過(guò)程中正應(yīng)力小且變化幅度小；煤柱寬度從6 m降至3 m過(guò)程中正應(yīng)力顯著增大，但低于水泥漿抗壓強(qiáng)度。

3.4 圍巖位移分析

以巷道圍巖位移與主應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力研究成果為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)巷道圍巖潛在位移，分析巷道圍巖穩(wěn)定性。如圖9所示為不同煤柱寬度下巷道圍巖位移圖。

圖9 不同煤柱寬度下巷道圍巖位移圖Fig.9 Displacement of roadway surrounding rock with different pillar widths

(1)巷道頂板沉降現(xiàn)象最為顯著；巷道實(shí)體煤側(cè)幫移近量大于區(qū)段煤柱側(cè)幫移近量；巷道底板的隆起現(xiàn)象不明顯。巷道角隅處巖石位移量比周圍巖石位移量小；巷道實(shí)體煤側(cè)幫角隅位移量大于區(qū)段煤柱側(cè)幫角隅位移量，角隅處巖石的位移量變化規(guī)律與主應(yīng)力變化規(guī)律吻合。

(2)煤柱位移量與區(qū)段煤柱寬度為負(fù)相關(guān)，隨著煤柱寬度的減小位移量逐漸增大；煤柱位移量的變化規(guī)律與錨桿應(yīng)力變化規(guī)律基本一致。

(3)煤柱寬度為3 m和6 m時(shí)煤柱支護(hù)結(jié)構(gòu)趨近破斷且處于剪切破壞狀態(tài)，巷道圍巖不穩(wěn)定；煤柱寬度為9、12、15 m時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的承載能力，巷道圍巖處于彈性變形階段、位移量滿足巷道生產(chǎn)需要，巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.5 小結(jié)

通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行緩傾斜厚煤層淺部區(qū)段煤柱為3、6、9、12、15 m時(shí)工作面回采模擬，分析巷道圍巖的主應(yīng)力、塑性區(qū)、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和位移變化特點(diǎn)。在煤柱寬度為3 m時(shí)，區(qū)段煤柱莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線相交、塑性區(qū)貫通、支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于破壞；在煤柱寬度為6 m時(shí)，區(qū)段煤柱兩側(cè)莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線相交、僅存在30%的彈性區(qū)域、支護(hù)結(jié)構(gòu)趨于破壞。因此不能滿足巷道生產(chǎn)需要，3、6 m屬于煤柱不合理寬度。在煤柱寬度為9、12、15 m時(shí)，巷道圍巖莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線相離、均為彈性變形階段、支護(hù)結(jié)構(gòu)有良好的承載力、圍巖位移小，兼顧煤礦生產(chǎn)需求及提高煤炭資源利用率，煤柱合理留設(shè)寬度范圍為9～12 m，煤柱留設(shè)優(yōu)化寬度為9 m。

4 工程實(shí)際驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該煤礦緩傾斜厚煤層淺部區(qū)段煤柱留設(shè)優(yōu)化寬度的合理性。本礦區(qū)11024工作面與11025工作面的區(qū)段煤柱寬度為9 m，以11024工作面回風(fēng)巷與11025工作面運(yùn)輸巷為監(jiān)測(cè)對(duì)象，由于巷道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)底部煤炭進(jìn)行經(jīng)常臥底處理，所以巷道進(jìn)行頂板和側(cè)幫表面的位移監(jiān)測(cè)與頂板的離層監(jiān)測(cè)。巷道掘進(jìn)方向30 m設(shè)置為第一個(gè)測(cè)站，間隔20 m設(shè)置一個(gè)測(cè)站，共設(shè)置3個(gè)測(cè)站，淺部測(cè)點(diǎn)的深度為1.5 m，深部測(cè)點(diǎn)的深度為5 m，進(jìn)行70 d的監(jiān)測(cè)。得到以下結(jié)果。

(1)針對(duì)巷道表面位移而言，回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷頂板表面位移分別為73 mm與67 mm，實(shí)體煤側(cè)幫表面位移分別為55 mm與51 mm，區(qū)段煤柱側(cè)幫表面位移分別為38 mm與37 mm。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，說(shuō)明數(shù)值模擬符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際；巷道表面位移滿足巷道安全生產(chǎn)要求，得出采用現(xiàn)用的支護(hù)方案能有效提高巷道表面穩(wěn)定性。

(2)回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷頂板淺部監(jiān)測(cè)點(diǎn)離層量分別為28 mm與25 mm、深部監(jiān)測(cè)點(diǎn)離層量分別為43 mm與37 mm。表明該支護(hù)方案能解決頂板巖石的不協(xié)調(diào)變形破壞問(wèn)題，防止巖石的突發(fā)性破壞。

通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析看出，當(dāng)巷道圍巖采用現(xiàn)有的支護(hù)方案時(shí)，既能使巷道圍巖表面穩(wěn)定，又能防止巷道頂板巖石的突發(fā)性破壞，巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且使得煤炭生產(chǎn)率與回收率最優(yōu)化。該緩傾斜厚煤層淺部區(qū)段煤柱留設(shè)優(yōu)化寬度為9 m是合理的。

5 總結(jié)

(1)煤柱寬度為9～15 m時(shí)，巷道圍巖莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線相離，處于穩(wěn)定狀態(tài)；煤柱寬度為3～6 m時(shí)，煤柱莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度包絡(luò)線相交，為破壞狀態(tài)，巷道圍巖處于失穩(wěn)狀態(tài)。

(2)煤柱寬度為9～15 m時(shí)，巷道圍巖為彈性變形階段，處于穩(wěn)定狀態(tài)；煤柱寬度為6 m時(shí)，區(qū)段煤柱兩側(cè)為剪切破壞狀態(tài)、煤柱僅存在30%彈性區(qū)，不利于長(zhǎng)期承載，巷道圍巖穩(wěn)定性差；煤柱寬度為3 m時(shí)，區(qū)段煤柱塑性區(qū)貫通，產(chǎn)生整體剪切破壞，巷道圍巖處于失穩(wěn)狀態(tài)。

(3)煤柱寬度為9～15 m時(shí)，巷道圍巖錨桿水泥漿有良好的承載能力，處于穩(wěn)定狀態(tài)；煤柱寬度為6 m時(shí)，巷道區(qū)段煤柱側(cè)中部錨桿水泥漿集中拉應(yīng)力接近抗拉強(qiáng)度且集中區(qū)域占錨桿的25%，影響錨桿與穩(wěn)定巖體相互作用，不利于巷道圍巖長(zhǎng)期穩(wěn)定；煤柱寬度為3 m時(shí)，區(qū)段煤柱側(cè)上、中、下錨桿水泥漿集中拉應(yīng)力接近抗拉強(qiáng)度且集中區(qū)域占錨桿的25%、30%和35%，影響巷道圍巖穩(wěn)定。

(4)煤柱寬度為9～12 m時(shí)，巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力大、處于彈性變形階段且位移量滿足巷道生產(chǎn)需要，巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，為煤柱合理寬度范圍。工程實(shí)際驗(yàn)證表明，煤柱寬度為9 m時(shí)，能有效控制圍巖變形破壞，使煤炭生產(chǎn)效率與回收率最優(yōu)化，屬于煤柱留設(shè)優(yōu)化寬度。