蔣家河煤礦沿空掘巷煤柱留設(shè)研究

許 博，李國平，楊 博

(彬縣煤炭有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

目前，我國國有大型煤礦的資源采出率在60%以上，單位煤炭資源采出消耗大，煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重，綜放開采放頂煤工藝造成的煤炭損失占采區(qū)總煤損失的44%，居第1位，其次是區(qū)段煤柱損失占33%。因此，減小區(qū)段煤柱寬度，實(shí)行小煤柱沿空掘巷或無煤柱沿空留巷將是提高煤炭采出率的主要技術(shù)途徑，而隨著煤柱寬度的增大，工作面采出率呈線性減小。沿空留巷在服務(wù)期間，一般情況下受到二次動(dòng)壓影響且時(shí)間較長，造成巷道頂板、兩幫變形嚴(yán)重、巷道維護(hù)難度大；而沿空掘巷一般采用3～10 m小煤柱護(hù)巷，其服務(wù)期間僅受一次動(dòng)壓影響，時(shí)間較短，巷道易維護(hù)。因此，采用小煤柱沿空掘巷是滿足科學(xué)采礦要求的高回收的煤炭采出技術(shù)之一。

1 蔣家河煤礦基本概況

蔣家河井田位于彬長礦區(qū)南緣，陜西省中西部，行政區(qū)劃隸屬于咸陽市彬州車家莊、底店鄉(xiāng)及水口鎮(zhèn)管轄。地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°53′30″～107°59′00″，北緯35°59′15″～36°02′00″。北與大佛寺井田相鄰，東、西、南以零煤線為界。東西長7.2 km，南北寬4.7 km，井田面積22.262 7 km2?，F(xiàn)有地質(zhì)儲量69.73 Mt，可采儲量29.74 Mt。礦井生產(chǎn)能力為0.9 Mt/a，剩余服務(wù)年限25.4 a。礦井采用立井單水平開拓，開采水平標(biāo)高為+667 m。井田布置主立井、副立井、閻家河進(jìn)風(fēng)斜井及回風(fēng)立井共4條井筒；礦井采用中央并列式通風(fēng)方式，抽出式通風(fēng)方法，綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝。礦井為高瓦斯礦井，主采4號煤層為Ⅱ類自燃煤層，煤塵具有爆炸性，水文地質(zhì)類型為中等型，4號煤及頂、底板均有弱沖擊傾向性。當(dāng)前，蔣家河煤礦正在回采ZF211工作面，計(jì)劃緊鄰ZF213備用工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)下一工作面回風(fēng)巷，為提高資源采出率并緩解采掘接替緊張的局面，計(jì)劃在ZF215工作面回風(fēng)巷試驗(yàn)小煤柱沿空掘巷。

2 工作面沿空掘巷動(dòng)態(tài)分析

迎采動(dòng)工作面沿空掘巷是在上區(qū)段工作面回采引起的強(qiáng)動(dòng)壓作用下，沿不穩(wěn)定采空區(qū)邊緣與回采工作面掘進(jìn)，巷道經(jīng)歷上覆巖層關(guān)鍵塊斷裂、回轉(zhuǎn)、下沉、穩(wěn)定全過程的影響，需要綜合考慮煤柱留設(shè)、上覆巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對巷道圍巖結(jié)構(gòu)的破壞以及強(qiáng)動(dòng)壓作用下煤柱的穩(wěn)定性等問題，維護(hù)難度極大，完全不同于普通穩(wěn)定采空區(qū)留小煤柱沿空掘巷，需要維持巷道淺部支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

柏建彪等[1]針對綜放沿空掘巷圍巖大小結(jié)構(gòu)，探討分析了巷道圍巖變形的基本規(guī)律，研究了巷道的圍巖應(yīng)力特征和影響圍巖變形的力學(xué)特性，建立了上覆巖層大結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析模型。

煤層在開采過程中破壞了原巖應(yīng)力場的平衡穩(wěn)定性，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。對于受采動(dòng)影響的巷道，其維修維護(hù)狀況除受巷道所處位置的自然因素影響以外，還受制于采動(dòng)影響。巷道在掘巷前、掘巷期間及工作面回采期間的穩(wěn)定性分析如下。

沿空掘巷前，在下移量一定的前提下，塊體B下方的矸石和采空區(qū)側(cè)煤體將對其形成穩(wěn)定的支承作用；同時(shí)，該塊體還將受到相鄰塊體A、C的夾持，則此時(shí)弧形三角塊B是穩(wěn)定的。根據(jù)以上對弧形三角塊B的穩(wěn)定性分析，認(rèn)為沿空掘巷前該塊體是穩(wěn)定的，同時(shí)也說明在沿空掘巷前，上覆巖層大結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。如圖1所示。

圖1 沿空掘巷上覆巖層大結(jié)構(gòu)分析模型

沿空掘巷時(shí)，及時(shí)采取一定的支護(hù)措施，巷道上覆煤巖體大結(jié)構(gòu)基本不會(huì)受到影響，可以有效控制巷道在掘進(jìn)期間的圍巖變形量，并減小巷道在掘后穩(wěn)定期間因圍巖蠕變產(chǎn)生的變形。依據(jù)上述對沿空掘巷在掘巷前后的上覆巖層大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，認(rèn)為在該條件下完全可以采用錨桿支護(hù)來維護(hù)巷道，確保巷道穩(wěn)定。

本工作面采動(dòng)在影響期間，巷道上覆巖層大結(jié)構(gòu)不會(huì)有較大的垮落現(xiàn)象發(fā)生，但會(huì)存在一定程度的下沉變形，因此保持巷道圍巖的穩(wěn)定性，不僅要適應(yīng)上覆巖層的下沉，還應(yīng)采取錨桿支護(hù)和其他支護(hù)措施，使巷道圍巖結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，保障巷道在回采期間的正常使用。

3 煤柱合理寬度位置的選擇

基本頂在工作面?zhèn)认虻钠茢辔恢茫磦?cè)向彈塑性分界位置，決定了煤柱寬度大小的選擇。

如圖2所示，在ZF213工作面回采期間，在工作面?zhèn)认蛐纬闪似扑閰^(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，應(yīng)避開應(yīng)力峰值地域合理選擇沿空巷道的位置，當(dāng)煤柱處在Zone No.1(破碎區(qū))區(qū)域時(shí)，其完全處于側(cè)向大結(jié)構(gòu)保護(hù)下，煤柱處于殘余強(qiáng)度狀態(tài)，無穩(wěn)定的承載區(qū)域，在先后2次動(dòng)壓影響下，流變變形量較大，除此之外此區(qū)域煤體完全破碎，不利于錨桿、錨索等錨固效果發(fā)揮，控制難度較大。

Zone No.1-破碎區(qū)；Zone No.2-塑性區(qū)；Zone No.3-彈性區(qū)；Zone No.4-原巖應(yīng)力區(qū)

如果煤柱寬度較大，部分煤柱就會(huì)處于 Zone No.3(彈性區(qū))區(qū)域，煤柱在2次動(dòng)壓影響作用下，在煤柱的中部便會(huì)形成高應(yīng)力集中區(qū)。如圖3所示，在高應(yīng)力作用下，煤柱彈性部分需經(jīng)歷彈性-塑性的變化過程，承載能力減小，集中應(yīng)力向巷道及周邊圍巖轉(zhuǎn)移，造成巷道變形量較大。

Ⅰ-破碎區(qū)；Ⅱ-塑性區(qū)；Ⅲ-彈性區(qū)

寬煤柱護(hù)巷時(shí)，煤柱內(nèi)存在 Zone No.4(原巖應(yīng)力區(qū))時(shí)，如圖4所示，巷道基本不受相鄰工作面回采期間采動(dòng)壓的影響，巷道維護(hù)狀況比較好，變形量相對而言比較小，但護(hù)巷煤柱寬度一般達(dá)到了20～25 m，煤炭損失量較大，采區(qū)采出率低，造成資源浪費(fèi)明顯。

Ⅰ-破碎區(qū)；Ⅱ-塑性區(qū)；Ⅲ-彈性區(qū)

因此，合理的煤柱寬度設(shè)計(jì)應(yīng)使煤柱處于塑性區(qū)和破碎區(qū)，煤柱內(nèi)存在大于原巖應(yīng)力的穩(wěn)定承載區(qū)，并且煤柱整體受力不大，無明顯的應(yīng)力集中區(qū)，但穩(wěn)定承載區(qū)域又不能太小，避免巷道變形量過大，同時(shí)須控制與應(yīng)力峰值位置距離，避免高應(yīng)力集中。

4 煤柱合理寬度設(shè)計(jì)與分析

4.1 傳統(tǒng)應(yīng)力極限平衡理論計(jì)算煤柱寬度范圍

依據(jù)傳統(tǒng)應(yīng)力極限平衡理論，結(jié)合侯朝炯提出的極限平衡區(qū)寬度計(jì)算式，給出煤柱合理寬度的理論計(jì)算值。

式中，x0為塑性區(qū)寬度，即煤體應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度,m；σz1，τxy為應(yīng)力極限平衡區(qū)內(nèi)煤體的垂直應(yīng)力、剪應(yīng)力,MPa；λ為側(cè)壓系數(shù)；C0為滑移面的內(nèi)聚力；φ0為滑移面的內(nèi)摩擦角，取煤體強(qiáng)度的0.6倍；Kz為側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)；P為上覆巖層壓力,MPa；Px為煤幫支護(hù)阻力,MPa；α為煤層傾角,(°)。

依據(jù)蔣家河煤礦ZF215工作面回風(fēng)巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，煤層厚度M為4.0 m，煤體的內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為42°、2.2 MPa，滑移面內(nèi)摩擦角φ0、粘聚力C0分別為24°、1.41 MPa，側(cè)壓系數(shù)λ為1.1；煤幫支護(hù)阻力Px為0.35 MPa；側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)Kz為3；上覆巖層壓力為12.5 MPa(平均埋深500 m)。經(jīng)計(jì)算求得極限平衡區(qū)(塑性區(qū))寬度x0為6.53 m，所以沿空掘巷時(shí)，合理的煤柱寬度范圍為B≤6.53 m。

結(jié)合上述理論計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮到采空區(qū)積水對煤柱強(qiáng)度的弱化、煤體強(qiáng)度不均等及堵漏風(fēng)的需求，合理的煤柱寬度B≥3.0 m，綜合考慮合理的煤柱寬度范圍應(yīng)為3 m≤B≤6 m。

4.2 煤柱合理寬度數(shù)值分析

采用數(shù)值分析法，通過研究3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m煤柱內(nèi)水平位移、垂直應(yīng)力分布規(guī)律、回采巷道的變形，分析煤柱的承載能力與穩(wěn)定性，確定煤柱合理寬度。

4.2.1 迎采動(dòng)煤柱內(nèi)應(yīng)力分布情況

為了確定合理的煤柱寬度，取煤柱中部巖層研究煤柱內(nèi)應(yīng)力場的分布情況。

不同寬度煤柱垂直應(yīng)力變化規(guī)律：①在煤柱寬度從3 m增加到4 m的過程中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值基本變化不大。煤柱寬度為3 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到27.2 MPa，煤柱寬度為4 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到26.8 MPa。煤柱基本進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段，承載能力低，沒有承壓區(qū)或承壓區(qū)較小(煤體單軸抗壓強(qiáng)度27 MPa)，不利于錨桿錨固。②在煤柱寬度從4 m增加到7 m的過程中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值逐漸增大。煤柱寬度為5 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到34.0 MPa，煤柱寬度為6 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到34.6 MPa，煤柱寬度為7 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到39.3 MPa。因此隨著煤柱寬度的增大，煤柱幫擁有一定的承載能力，其穩(wěn)定性在逐漸增強(qiáng)。③在煤柱寬度從7 m增加到10 m的過程中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)逐漸減小的趨勢。煤柱寬度為8 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到38.6 MPa，煤柱寬度為9 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到37.1 MPa，煤柱寬度為10 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到36.6 MPa。

不同寬度煤柱垂直應(yīng)力的分布情況：在煤柱寬度從3 m增加至8 m的過程中，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線由近似三角狀變?yōu)轳劮鍫?。煤柱寬度?～4 m時(shí)，煤柱大部分垂直應(yīng)力低于煤體的單軸抗壓強(qiáng)度(27 MPa)，煤柱的穩(wěn)定性極差；煤柱寬度為5～7 m時(shí)，煤柱存在垂直應(yīng)力集中區(qū)(高于煤體的單軸抗壓強(qiáng)度)；隨著煤柱寬度的逐漸增加，垂直應(yīng)力集中區(qū)范圍不斷增大，垂直應(yīng)力集中區(qū)即承壓區(qū)的存在，利于錨桿的錨固；另外，隨著煤柱寬度的不斷增加，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值位置逐漸遠(yuǎn)離巷道臨空區(qū)，基本位于煤柱中央位置。

綜上所述，煤柱寬度為7 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值最大，因此，煤柱寬度不宜小于5 m，沒有穩(wěn)定的承壓區(qū)，不利于錨桿錨固，應(yīng)小于7 m，降低煤柱的應(yīng)力集中程度，保證煤柱的長期穩(wěn)定性，合理的煤柱寬度為5～6 m。

4.2.2 迎采動(dòng)煤柱內(nèi)水平位移變化情況

取煤柱中部巖層研究煤柱內(nèi)水平位移場分布情況。在迎采動(dòng)期間，煤柱內(nèi)水平位移分布具有以下規(guī)律特征。

向巷道臨空方向水平位移：在煤柱寬度為3～4 m時(shí)，煤柱向巷道臨空方向的水平位移量隨煤柱寬度的增加出現(xiàn)增加；煤柱寬度為5～6 m時(shí)，煤柱向巷道臨空方向的水平位移隨煤柱寬度的增加基本不發(fā)生變化；煤柱寬度為7～10 m時(shí)，煤柱向巷道臨空方向的水平位移隨煤柱寬度的增加出現(xiàn)減小，其中在煤柱寬度為5 m時(shí)，其向巷道臨空方向水平位移最大，為1.62 m。

向采空區(qū)側(cè)水平位移：在煤柱寬度從3 m增加至5 m的過程中，煤柱向采空區(qū)側(cè)的水平位移增加速度較快；大于5 m后，煤柱向采空區(qū)側(cè)水平位移隨煤柱寬度的增加而逐步減小；其中煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱向采空區(qū)側(cè)水平位移最大，為1.06 m。

窄煤柱內(nèi)水平位移分布：在煤柱為3～4 m時(shí)，煤柱中部位移急劇發(fā)生變化，基本無穩(wěn)定區(qū)域即近零區(qū)域；煤柱寬度大于 5m時(shí)，煤柱中部存在近零區(qū)域，但隨著煤柱寬度的增加而逐步增大。

因此，從煤柱穩(wěn)定的角度出發(fā)，煤柱內(nèi)應(yīng)存在近零區(qū)域，煤柱合理寬度應(yīng)大于4 m，煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱向采空區(qū)側(cè)、巷道臨空方向位移均最大，穩(wěn)定性較差，合理的煤柱寬度應(yīng)大于5 m。

4.2.3 巷道變形情況

從不同寬度煤柱的應(yīng)力場、位移場分布規(guī)律特征來看，煤柱對巷道圍巖變形的影響隨著窄煤柱寬度變化而發(fā)生變化。為了進(jìn)一步確定煤柱寬度，對巷道圍巖變形量和煤柱寬度的關(guān)系進(jìn)行研究，不同寬度煤柱條件下巷道圍巖變形量詳見表1。

表1 不同煤柱寬度條件下巷道圍巖變形量

由表1可知，煤柱寬度對巷道圍巖變形量的影響如下。

頂板下沉量：巷道頂板下沉量隨著煤柱寬度的增加而不斷減小，基本呈現(xiàn)線性變化，其中在煤柱寬度為3 m時(shí)，頂板下沉量達(dá)到最大。

煤柱幫變形量：煤柱幫變形量隨著煤柱寬度的增加而出現(xiàn)極限值，其中在煤柱寬度5 m時(shí)煤柱幫變形量最大；因此煤柱寬度選擇應(yīng)大于5 m，以增強(qiáng)煤柱的穩(wěn)定性。

實(shí)體煤幫變形量：巷道實(shí)體煤幫變形量隨著煤柱寬度的逐步增加而不斷減小，基本呈現(xiàn)線性變化，其中在煤柱寬度為3 m時(shí)，實(shí)體煤幫的移近量達(dá)到最大。

因此，結(jié)合傳統(tǒng)極限平衡理論分析方法、數(shù)值分析方法，基本確定出了合理的煤柱寬度。

5 分析討論

通過傳統(tǒng)極限平衡理論求出了煤柱塑性區(qū)寬度，得出了煤柱寬度的合理取值范圍，確定出合理的煤柱寬度應(yīng)小于6.53 m，但綜合考慮到采空區(qū)積水對煤柱強(qiáng)度的弱化、煤體強(qiáng)度不均等及堵漏風(fēng)的需求，合理的煤柱寬度應(yīng)大于3.0 m，因此合理的煤柱寬度范圍確定為3～6 m。

基于數(shù)值分析法，煤柱寬度為7 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值最大，因此，煤柱寬度不宜小于5 m，沒有穩(wěn)定的承壓區(qū)，不利于錨桿錨固，應(yīng)小于7 m，降低煤柱的應(yīng)力集中程度，保證煤柱的長期穩(wěn)定性，合理的煤柱寬度為5～6 m；從煤柱穩(wěn)定性的方面考慮，煤柱內(nèi)須存在近零區(qū)域，煤柱合理寬度應(yīng)大于4 m，在煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱向采空區(qū)側(cè)、巷道臨空方向位移均最大，穩(wěn)定性較差，因此合理的煤柱寬度應(yīng)大于5 m，最終確定煤柱寬度為6 m。

6 結(jié)論

迎采動(dòng)沿空掘巷技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施，將留設(shè)25 m寬煤柱方案改為預(yù)留6 m寬煤柱，不僅提高了煤炭資源回收率，減小了掘進(jìn)工作面的局部防突工程，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，加快了掘進(jìn)速度，促進(jìn)了礦井安全、高效生產(chǎn)的改革；同時(shí)有效地解決了單翼礦井開采采掘接替緊張，局部地段頂板、巷道圍巖、底鼓變形量較大，巷道維護(hù)難度大等問題，符合綠色礦山建設(shè)及科學(xué)采礦的要求。