特厚煤層綜放工作面小煤柱留設合理寬度研究*

沈玉旭，張文陽

(1.山西能源學院， 山西 晉中市 030600；2.晉能控股集團煤炭產(chǎn)業(yè)部， 山西 大同市 037003)

0 引言

煤礦為保持回采巷道穩(wěn)定，防止漏風和相鄰采空區(qū)瓦斯等有毒有害氣體涌出，區(qū)段間采用留設保護煤柱護巷，煤柱寬度一般都在30 m左右，對瓦斯治理和煤層自燃發(fā)火的防治起到了較好的效果，但是工作面順槽礦壓顯現(xiàn)強烈，巷道變形、冒頂嚴重，影響著礦井的安全高效生產(chǎn)，且兩工作面保安煤柱較寬，資源浪費嚴重，煤柱損失高達 10%～30%[1-4]。針對以上實際情況，國內(nèi)學者做了大量的研究，開展了綜放工作面沿空掘巷技術(shù)研究，確保工作面防火以及瓦斯治理達到要求，同時，為實現(xiàn)小煤柱沿空掘巷提供安全可靠、經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的方案，也做了一些特厚煤層綜放工作面沿空掘巷的基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究[5-14]。

針對某礦回采巷道變形嚴重，甚至局部底鼓，煤柱尺寸過大，煤炭資源損失嚴重等問題，以8204工作面回風巷煤柱留設為研究對象，通過理論計算和數(shù)值模擬，確定合理煤柱尺寸。

1 工作面概況

8204工作面主采3號煤～5號煤，煤層埋深500 m左右，平均厚度17.09 m，平均傾角3°，工作面長 235 m，距最近斷層垂直距離 30 m，順槽長度870 m，高瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，容易自燃，采用綜采放頂煤采煤方法，一側(cè)為 8206工作面，已采。

3～5號煤層結(jié)構(gòu)復雜，節(jié)理裂隙發(fā)育。煤層基本頂為粉砂巖，厚度達30 m以上，f=11.6，局部賦存巖漿巖，厚度為0.4 m～1.8 m，中夾1～2層煤線；直接頂為細-中砂巖，厚度為0.51 m～30 m，f=10.7，局部夾薄層粉砂巖或多層煤線；偽頂為泥巖，厚度為0.01 m～0.5 m；直接底為細砂巖，厚度為0 m～5.52 m，f=10.7；老底為中、粗砂巖，厚度為5.2 m～10.90 m。

2 理論計算

為了保證巷道圍巖穩(wěn)定，控制巷道變形量，避免支撐壓力的影響，傳統(tǒng)的大煤柱巷道圍巖變形嚴重，不能滿足要求，把巷道布置在圍巖應力降低區(qū)，不僅可以減小煤柱的寬度，同時可以提高煤炭回采率。煤柱兩側(cè)由于支撐壓力影響都有破碎區(qū)，煤柱內(nèi)部也有塑性區(qū)，錨桿支護的錨固段需要布置在穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)。如果煤柱寬度太小，錨固段煤層破碎，難以形成足夠的錨固力，從而難以保證煤柱的穩(wěn)定性。因此，煤柱寬度的布置既要保證煤柱布置在應力降低區(qū)，減小煤柱寬度，又要保證煤柱的穩(wěn)定性。小煤柱寬度計算公式見式（1）。

式中，B為小煤柱寬度，m；x1為上區(qū)段煤柱側(cè)煤體破碎區(qū)域?qū)挾龋琺；x2為本區(qū)段煤柱側(cè)錨桿支護有效長度，m；x3為安全系數(shù)寬度，x3=（0.15～0.35）（x1＋x2），m。

經(jīng)計算，小煤柱寬度B=6.89 m～8.12 m，此工程條件下合理的小煤柱寬度為8 m左右。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

本次使用大型巖土軟件FLAC3D模擬8204工作面及其周邊煤巖體，采用莫爾庫侖模型。計算模擬長度400 m，寬度300 m，高度200 m，X方向為工作面長度方向，Y方向為工作面推進方向，Z方向為垂直地面方向，工作面長180 m，向前推進150 m，煤層厚度 15 m，巷道尺寸 5 m×3.5 m，共劃分了96523個單元和106432個節(jié)點。

為了使數(shù)值模擬更加接近實際情況，該模型的頂?shù)装鍘r石力學參數(shù)為實際工程地質(zhì)條件煤層頂?shù)装鍘r石力學參數(shù)，分別模擬未開挖和5 m、10 m、25 m小煤柱時巷道周圍圍巖受力、變形和破壞特征。

為了消除邊界效應，本次模擬四周限制水平位移，底部為固定邊界，限制水平和豎直位移移動；模型上部施加自重應力載荷 10 MPa（2.5 MPa/100 m）；煤層初始垂直應力為12.5 MPa（2.5 MPa/100 m），水平應力為6.25 MPa（1.25 MPa/100 m）。

3.2 模擬結(jié)果

（1）未開挖時巷道周圍應力分布。由圖 1和圖2可知，巷道周圍未開挖時，圍巖的應力分布曲線隨著距離的增加垂直應力也在增加，距離巷道35 m以外后應力趨于穩(wěn)定，峰值強度24 MPa，0～10 m范圍內(nèi)圍巖垂直應力較小，煤層比較穩(wěn)定，利于下區(qū)段巷道維護和安全生產(chǎn)。

圖1 巷道周圍垂直應力分布

圖2 巷道周圍垂直應力曲線

（2）不同尺寸煤柱巷道周圍應力分布。由圖3～圖 6可知，沿空巷道開挖后，巷道周圍的垂直應力分布曲線整體趨勢沒有發(fā)生變化，峰值強度也沒有太大變化，只是垂直應力峰值向煤體深處轉(zhuǎn)移。由圖5可知，10 m小煤柱和5 m小煤柱比較，圍巖應力降低區(qū)更大，更適合布置下區(qū)段巷道。由圖6可知，大煤柱不利于巷道周圍應力降低區(qū)的擴展，反而縮小了應力降低區(qū)范圍，同時圍巖的垂直應力也增加，不利于下區(qū)段巷道的布置，巷道維護困難。

圖3 留5 m小煤柱時巷道周圍垂直應力分布云圖

圖4 留10 m小煤柱時巷道周圍垂直應力分布云圖

圖5 不同小煤柱巷道周圍垂直應力曲線

圖6 小煤柱和大煤柱巷道周圍垂直應力曲線

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，8204工作面回風巷與上區(qū)段煤柱寬度應在10 m以內(nèi)。

4 現(xiàn)場觀測

根據(jù)理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果分析，8204工作面回風巷與上區(qū)段煤柱寬度最終定為8 m。

（1）鉆孔窺視。采用 GD3Q-GM 型鉆孔窺視儀，分別觀測本階段工作面采前不同的范圍煤體破裂情況，在8206工作面5206巷前方100 m處起沿回采方向上10 m、15 m、20 m、25 m和30 m處布置5個監(jiān)測區(qū)，各監(jiān)測區(qū)分別布置3個鉆孔，孔深為15 m。

鉆孔窺視結(jié)果顯示，小煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育，但煤柱整體性較好。

（2）巷道位移量。對8204工作面回風巷掘進后觀測巷道兩幫和頂?shù)装逡平?，采用“十”字交叉法進行觀測，在順槽內(nèi)布置4個測區(qū)，每個測區(qū)布置3個測點，測點間距10 m。

觀測結(jié)果顯示，掘巷期間巷道兩幫最大移近量65 mm，頂?shù)装遄畲笠平?7 mm，兩幫移近量大于頂?shù)装逡平?，巷道變形量較小。

5 結(jié)論

（1）經(jīng)理論計算、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場觀測證明，留設8 m小煤柱合理，并提高了煤炭采出率，增加了經(jīng)濟效益。

（2）小煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育，但煤柱整體性較好，密閉性較強。

（3）掘巷期間巷道兩幫最大移近量61 mm，頂?shù)装遄畲笠平?5 mm，兩幫移近量大于頂?shù)装逡平?，巷道變形量小?/p>