厚煤層工作面合理煤柱寬度設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性研究

蘇 杰

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

霍寶干河煤礦2-116綜采工作面即將回采結(jié)束，需進(jìn)行下區(qū)段2-118C 綜采工作面的準(zhǔn)備作業(yè)。該綜采工作面開采的是平均厚度為3.72 m 的9 號(hào)煤層，9 號(hào)煤層為由東向西傾斜角度為8°，煤層夾雜有矸石。2-118C 工作面的偽頂是厚度為0.15 m 的粉砂巖，直接頂板是厚度為1.2 m 的中砂巖，基本頂是厚度為1.5 m 的細(xì)砂巖，直接底板是厚度為2.4 m的細(xì)砂巖，基本底是厚度為4.55 m 的中砂巖。

工作面位于一采區(qū)的右翼，北側(cè)為2-112 工作面，位于2-118C 工作面的北邊，2-116 工作面位于2-118C 工作面的南邊，工作面的西邊是未開采的煤體，保護(hù)干河村留設(shè)的煤柱以及軌道大巷位于該煤層的東邊。2-116 綜采工作面回采結(jié)束60 d 之后就開始2-118C 沿空運(yùn)輸巷道的開掘工作，留設(shè)30 m 護(hù)巷煤柱，巷道在開掘過程中受附近巷道掘進(jìn)和臨近回采工作面頂板下沉破裂的影響，在距離留設(shè)煤柱比較近的這一邊頂部和周圍巖層產(chǎn)生大量的裂隙、破裂。從巷道圍巖和頂板破裂特征來看，30 m煤柱并沒有發(fā)揮保護(hù)巷道的效果，而且浪費(fèi)了大量的煤炭資源。因此，針對(duì)沿空巷道煤柱寬度的確定，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究[1-2]。

2 煤柱尺寸的理論計(jì)算

對(duì)于煤柱本身來說，若其寬度較小，工作面回采時(shí)，在受動(dòng)壓影響的情況下，煤柱將會(huì)產(chǎn)生大量的裂隙，造成一定程度的損壞[3]，會(huì)對(duì)巷道的錨桿支護(hù)等帶來較大的影響，當(dāng)區(qū)段煤柱失去其該有的承載能力時(shí)，巷道的穩(wěn)定也將受到影響。因此，在進(jìn)行對(duì)區(qū)段煤柱的寬度計(jì)算時(shí)[4]，需要在其極限平衡條件下進(jìn)行計(jì)算，如圖1。

圖1 煤柱寬度計(jì)算示意

沿空巷道窄煤柱計(jì)算公式為：

式（2）中：m為該煤層的采高，為3.72 m；λ代表側(cè)壓系數(shù)，取值0.32；φ0為煤層內(nèi)摩擦角,為35°；C0代表煤柱和煤層頂板及底板之間交界處的黏聚力，取值0.8 MPa；K表示集中應(yīng)力系數(shù)，取值1.8；γ1代表煤層以上巖石層的容重，取25 kN/m3；H代表巷道的埋藏深度，取448 m；Px是可采煤柱已經(jīng)采空這一側(cè)支護(hù)所需的阻力，取值0.2 MPa。

將上述參數(shù)代入式（2）計(jì)算可得：x1=2.12 m。

式（1）中：B為護(hù)巷煤柱寬度，m；x1為2-118C綜采面回采在煤柱臨空側(cè)產(chǎn)生的破碎區(qū)寬度，即2-118C 采空區(qū)煤壁邊緣與側(cè)向基本頂斷裂線之間的水平距離；x2為巷道煤柱側(cè)幫錨索有效長度，取4.2 m；x3為預(yù)留煤柱的附加安全寬度，通常按30%～50%（x1+x2）取值，考慮不穩(wěn)定覆巖下掘巷時(shí)煤柱受動(dòng)壓影響，按50%（x1+x2）計(jì)算。

經(jīng)過計(jì)算，求得護(hù)巷煤柱的寬度約B≈10 m。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 模型建立

以2-118C 綜采工作面為工程背景，建立數(shù)值模型。對(duì)模型邊界的法向位移進(jìn)行約束，即限制模型在X、Y 方向的水平位移和在Z 方向的垂直位移，X=-232.25、X=248.25、Y=0、Y=160 和Z=0。在數(shù)值模型建立時(shí)，通常模型的建立會(huì)根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)條件進(jìn)行簡化，這樣可以大大提升它的運(yùn)行速度和準(zhǔn)確度，降低整體數(shù)值模擬的運(yùn)作時(shí)長，模型共劃分171 904 個(gè)單元，183 645 個(gè)節(jié)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，模擬的煤柱寬度分別設(shè)置為6.0 m、8.0 m、10.0 m、12.0 m、14.0 m、16.0 m。

3.2 不同寬度煤柱下垂直應(yīng)力分布

不同煤柱寬度條件下圍巖在垂直方向的應(yīng)力分布如圖2。由不同寬度煤柱的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，巷道在開掘之后由于煤柱寬度的變化，巷道周圍巖層受到的應(yīng)力也會(huì)發(fā)生變化，在煤柱里邊會(huì)形成不規(guī)則、大小不等的應(yīng)力集中領(lǐng)域。應(yīng)力集中區(qū)域在6 m 煤柱寬度的條件下，處于靠近未開采的實(shí)體煤這一側(cè)，其最大值為20 MPa，并且應(yīng)力分布比較勻稱，平均為10 MPa；巷道兩側(cè)的煤層在8 m 的煤柱寬度條件下，有應(yīng)力集中的現(xiàn)象出現(xiàn)，在巷道靠近實(shí)體煤的這一側(cè)更加明顯，最大值為18.8 MPa左右，靠近實(shí)體煤這一側(cè)的巷幫隨著煤柱的增寬其應(yīng)力集中的區(qū)域慢慢消失；煤柱寬度從10 m 增大到16 m 的過程中，煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中區(qū)域及應(yīng)力峰值均有增大，峰值分別為20.6 MPa、22.1 MPa、23.3 MPa、23.6 MPa。

圖2 回采時(shí)不同寬度煤柱垂直應(yīng)力云圖

3.3 不同寬度煤柱水平位移曲線

通過對(duì)不同寬度煤柱內(nèi)部應(yīng)力模擬，得到煤柱內(nèi)部應(yīng)力變化曲線，如圖3。

圖3 不同寬度煤柱水平位移曲線

從圖3 中可以看出，煤柱水平方向的位移值隨著留設(shè)煤柱寬度值的不斷增大而逐漸變小，并且在煤柱里邊某一個(gè)位置位移為零。當(dāng)留設(shè)煤柱的寬度值為6 m 時(shí)，在大約距采空區(qū)煤壁邊緣2.6 m 的位置處存在一個(gè)位移值為零的點(diǎn)；在留設(shè)煤柱的寬度為8～16 m 時(shí)，存在的位移值為零的點(diǎn)的位置基本不變，其位置大約在距采空區(qū)煤壁邊緣3.8 m 的位置處。位移值為零的點(diǎn)的位置處作為曲線斜率的分水嶺，其斜率在臨近采空區(qū)的這一邊大致一致，傾斜程度比較大，而在位移值為零點(diǎn)的另一側(cè)，留設(shè)煤柱寬度增大而曲線的斜率不斷變小。

上述模擬結(jié)果中，當(dāng)留設(shè)煤柱的寬度在6～8 m范圍內(nèi)時(shí)，巷道周圍巖層的變形程度比較嚴(yán)重，巷道周圍巖體的變形隨著留設(shè)煤柱的寬度從6～8 m 反而變大，因此為保護(hù)巷道留設(shè)的煤柱的寬度應(yīng)大于8 m；當(dāng)留設(shè)的保護(hù)巷道的煤柱寬度從10～16 m 時(shí)，巷道周圍巖層的破壞程度慢慢變小，但是隨著留設(shè)的保護(hù)巷道的煤柱的寬度的變大出現(xiàn)了一定范圍的應(yīng)力集中的情況，并且集中范圍不斷變大；在工作面推進(jìn)和巷道開挖的過程中，留設(shè)的保護(hù)巷道的煤柱寬度為14～16 m 時(shí)，煤柱受到的應(yīng)力集中程度較大，對(duì)巷道和煤柱的穩(wěn)定造成很大的影響；而留設(shè)的保護(hù)巷道的煤柱的寬度為10～12 m 時(shí)，煤柱受到的應(yīng)力集中范圍比較對(duì)稱，其程度也比較小，可以使巷道周圍巖體更加穩(wěn)定。根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果及2-118C 工作面目前的地質(zhì)條件，在遵循煤柱寬度設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，最終確定2-118C 沿空巷道護(hù)巷煤柱的寬度為10 m。

4 工程實(shí)踐

在掘進(jìn)期間沿空掘巷時(shí)，為了確定2-118C 工作面的煤柱寬度留設(shè)的是否有效，在巷道的試驗(yàn)段布置3 個(gè)表面位移測點(diǎn)，之間間距50 m，分別對(duì)監(jiān)測點(diǎn)標(biāo)號(hào)為1#、2#、3#。在進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)安置時(shí)，嚴(yán)格按照所確定的點(diǎn)進(jìn)行安置，不得出現(xiàn)誤差。采用鋼卷尺測量巷道頂?shù)缀蛢蓭妥冃蝸硖骄?-118C 綜采工作面區(qū)段留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性及合理性。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 為3 個(gè)測點(diǎn)觀測之后得到的結(jié)果，從周圍巖層位移的角度分析，巷道周圍巖體在工作面回采期間破裂嚴(yán)重，比開掘巷道產(chǎn)生的裂隙更多，其變形程度是巷道開掘的4 倍多。巷道圍巖在距工作面35 m 的位置處破碎速率發(fā)生轉(zhuǎn)折，逐漸加快，距離工作面越近，破碎速率越快。從圖4 可知，2-118C工作面超前采動(dòng)影響范圍為50 m 左右，三個(gè)測點(diǎn)在觀測期間頂?shù)装謇塾?jì)變形分別為430 mm、466 mm、352 mm，兩幫累計(jì)移近量分別為362 mm、504 mm、486 mm。通過對(duì)巷道實(shí)際進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明巷道變形在允許范圍內(nèi)，巷道可以正常使用，對(duì)巷道表面變形進(jìn)行了觀測分析，根據(jù)觀測的結(jié)果可以得出方案中留設(shè)的煤柱寬度合理。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測

5 結(jié)論

以2-118C 綜采工作面留設(shè)區(qū)段煤柱為背景，通過理論計(jì)算并輔以數(shù)值模擬軟件驗(yàn)證等手段確定了合理的10 m 寬的區(qū)段煤柱寬度。2-118C 綜采工作面回采過程中，對(duì)下順槽圍巖進(jìn)行表面位移監(jiān)測，通過對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究，可知2-118C 綜采工作面留設(shè)10 m 區(qū)段煤柱可以維持巷道穩(wěn)定，煤柱寬度合理，滿足工程需求。