12003工作面護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度的探討與實(shí)踐

姚國(guó)輝

（河南能源貴州興安煤業(yè)有限公司糯東煤礦，貴州 黔西南 561504）

護(hù)巷煤柱的寬度與回采巷道支護(hù)、維護(hù)成本、安全生產(chǎn)以及煤炭回收率密切相關(guān)，正確選擇煤柱寬度，對(duì)保證巷道穩(wěn)定至關(guān)重要。目前，我國(guó)部分煤礦依靠經(jīng)驗(yàn)來確定煤柱留設(shè)寬度，缺乏科學(xué)性和針對(duì)性，往往不是浪費(fèi)煤炭資源，就是在掘進(jìn)回采過程中巷道難以維護(hù)[1]。因此，如何合理、科學(xué)確定護(hù)巷煤柱，對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)意義重大。文章以興義煤田糯東煤礦12003回風(fēng)巷沿空掘巷為工程背景，確定興義煤田護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度，對(duì)類似巷道煤柱留設(shè)具有指導(dǎo)意義。

1 概況

糯東井田位于貴州省普安縣南部，主要可采煤層四層，分別為17、19、20、26號(hào)煤層，平均厚度分別為4.3 m、2.04 m、1.99 m、2.81 m。糯東井田屬煤與瓦斯突出礦井，各煤層煤塵均不具有爆炸危險(xiǎn)性。12003工作面位于礦井一采區(qū)北翼20號(hào)煤層，開采深度498 m。工作面左側(cè)為12001采空區(qū)，工作面上覆為11705、11703采空區(qū)及11705底抽巷，煤層厚度3.5 m，平均傾角6°。煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.0 m；基本頂為粉砂巖，平均厚度7.4 m；直接底為粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度11.1 m；基本底為細(xì)砂巖，平均厚度2.8 m。

2 煤柱合理留設(shè)寬度理論分析

巷道掘進(jìn)后，煤柱上覆巖層應(yīng)力將重新分布，煤柱內(nèi)部一定范圍內(nèi)形成支承壓力區(qū)域。在上覆巖層應(yīng)力作用下，煤柱邊緣一定范圍內(nèi)的煤體已產(chǎn)生破壞[2]。煤柱邊緣處支承壓力為零，支承壓力隨煤柱內(nèi)部深度增加也慢慢增大，最終達(dá)到支承壓力峰值，如圖1所示。從煤柱邊緣到應(yīng)力峰值這一區(qū)域，煤巖體應(yīng)力已超過了屈服點(diǎn)，形成煤柱的屈服區(qū)，如圖1中r范圍所示。屈服區(qū)范圍內(nèi)的煤柱煤體由于已處于屈服狀態(tài)，煤體無法對(duì)上覆巖層形成有效支撐。屈服區(qū)內(nèi)側(cè)的煤巖體所受的應(yīng)力在屈服點(diǎn)以下，變形較小，處于彈性變形狀態(tài)。這個(gè)區(qū)域被屈服區(qū)所包圍，并受屈服區(qū)的約束，稱為煤柱核區(qū)或彈性核區(qū)。煤柱核區(qū)作為煤柱的主要承載區(qū)域，能有效對(duì)上覆巖層形成承載作用[3]。因此，若要保證煤柱煤體的穩(wěn)定，必須保證煤柱內(nèi)有合理寬度的彈性核區(qū)。

圖1 煤柱受力分析圖

合理煤柱的留設(shè)寬度是煤柱兩側(cè)極限平衡區(qū)寬度和中心彈性區(qū)煤體的臨界尺寸之和，每側(cè)極限平衡區(qū)的大小與該側(cè)的采動(dòng)情況密切相關(guān)。合理的最小煤柱寬度B為：

式中：X1為上區(qū)段工作面開采后在煤體邊緣形成的塑性區(qū)寬度；X2為巷道開挖后在煤柱側(cè)形成的塑性區(qū)寬度；X3為煤柱內(nèi)部的穩(wěn)定核區(qū)，根據(jù)煤柱穩(wěn)定的基本條件可取X1+X2的20%～30%。

（1）根據(jù)極限平衡理論，可根據(jù)式（2）得出采空區(qū)側(cè)煤柱的塑性區(qū)范圍。

式中：M為區(qū)段平巷高度，m；ε為三軸應(yīng)力系數(shù)，ε=（1+sinφ）/（1-sinφ）；φ為煤體內(nèi)摩擦角；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為巖層平均密度，t/m3；H為巷道埋深，m；C為煤體黏聚力，0.45～0.75 MPa；P為上區(qū)段平巷支架對(duì)下幫的支護(hù)阻力(在采空區(qū)側(cè)取0），kN/m。f為護(hù)巷煤柱與煤層頂?shù)装褰佑|摩擦系數(shù)，一般取值為0.125。

（2）沿空掘巷，巷道開挖后巷道側(cè)圍巖在應(yīng)力重分布情況下產(chǎn)生塑性變形。運(yùn)用極限平衡理論，在各向等壓條件下，圓形巷道圍巖塑性區(qū)半徑Rp的計(jì)算公式為：

式中：Ro為圓形巷道半徑（方形巷道可取寬的1/2）；P為上覆巖層壓力，P=KγH；γ為上覆巖層的平均容重；pi為支護(hù)作用力，取0.5 MPa。

則X2=RP-R0。

（3）X3為煤柱內(nèi)部的穩(wěn)定核區(qū)，按最不利原則，取X1+X2的30%。

20煤底板標(biāo)高1140～1425 m，埋深約451～650 m。目前12003回風(fēng)順槽埋深約為498 m。對(duì)于20#煤，巷道斷面寬5 m，則Ro=2.5 m，采高M(jìn)=2.0 m，φ=28°，γ=2.5 t/m3，H=498 m，C=0.75 MPa。由此求出極限平衡區(qū)寬度為：X1=2.08 m。隨著不同的應(yīng)力集中系數(shù)變化，巷道煤柱的合理留設(shè)寬度以及巷道側(cè)的塑性區(qū)寬度如圖2。

圖2 巷道煤柱的合理留設(shè)寬度

由圖2可知當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)為1時(shí)，即當(dāng)巷道處于原巖應(yīng)力條件下時(shí)，巷道側(cè)塑性區(qū)的發(fā)育寬度為2.8 m，合理的煤柱留設(shè)寬度為9.11 m；而當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)在2～2.5時(shí)，巷道側(cè)塑性區(qū)的發(fā)育寬度為5.2～6.2 m，合理的煤柱留設(shè)寬度為15～17 m。當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)在3～3.5時(shí)，合理的煤柱留設(shè)寬度為20～25 m。因此，在采動(dòng)影響下區(qū)段煤柱的合理寬度應(yīng)至少為20 m。

3 煤柱合理留設(shè)寬度數(shù)值分析

根據(jù)糯東煤礦的實(shí)際地質(zhì)情況，采用UDEC建立沿空掘巷數(shù)值模型，對(duì)煤柱留設(shè)寬度分別為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m以及30 m的情況下的煤柱變形情況以及采動(dòng)應(yīng)力分布情況進(jìn)行考察。煤巖體力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

3.1 煤柱塑性區(qū)發(fā)育情況

沿空巷道在不同煤柱寬度下塑性區(qū)發(fā)育情況如圖3。圖中黑色表示塊體處于屈服狀態(tài)，灰色表示塊體在計(jì)算過程中曾進(jìn)入過塑性區(qū)，可以忽略。

由圖3（a）～（c）可知當(dāng)區(qū)段煤柱在5～15 m時(shí)，區(qū)段煤柱內(nèi)無彈性核區(qū)，無法有效承載上覆巖層重量，導(dǎo)致煤柱幾乎全部處于屈服狀態(tài)，此時(shí)，煤柱在上覆巖層的重力作用下圍巖煤壁向巷道內(nèi)部鼓出。同時(shí)，由于煤柱承載能力不足，使得頂板巖層下沉變形較為嚴(yán)重。

由圖3（d）～（f）可知當(dāng)區(qū)段煤柱寬度達(dá)到20～30 m時(shí)，區(qū)段煤柱內(nèi)彈性核區(qū)范圍慢慢變大，說明煤柱對(duì)上覆巖層的承載能力逐漸增強(qiáng)，尤其是當(dāng)煤柱寬度達(dá)到25～30 m時(shí)，如圖3（e）、（f），區(qū)段煤柱內(nèi)出現(xiàn)了大面積的彈性核區(qū)，能夠有效地對(duì)上覆巖層形成支撐作用。

圖3 不同區(qū)段煤柱寬度下煤柱塑性區(qū)發(fā)育情況

3.2 不同煤柱留設(shè)寬度采動(dòng)應(yīng)力分布

為監(jiān)測(cè)不同煤柱留設(shè)寬度下采動(dòng)應(yīng)力分布情況，在模型的煤層中布置有測(cè)線，在計(jì)算完成后輸出測(cè)線的采動(dòng)應(yīng)力分布狀態(tài)如圖4。

圖4 不同區(qū)段煤柱寬度下采動(dòng)應(yīng)力分布情況

由圖4（a）～（c）可知當(dāng)區(qū)段煤柱在5～15 m時(shí)，區(qū)段煤柱內(nèi)由于無彈性核區(qū)，導(dǎo)致煤柱內(nèi)部采動(dòng)應(yīng)力集中呈急劇增加的三角形形狀，且當(dāng)煤柱留設(shè)寬度為5～10 m時(shí)可以看出其內(nèi)部應(yīng)力集中峰值存在波動(dòng)情況，如圖4（a）～（b）所示，說明此時(shí)煤柱狀態(tài)為不穩(wěn)定狀態(tài)，從而導(dǎo)致了煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值出現(xiàn)波動(dòng)。隨著留設(shè)煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中狀態(tài)慢慢趨于平緩，如圖4（c）～（d）所示。當(dāng)煤柱留設(shè)寬度達(dá)到25～30 m時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中狀態(tài)不再呈三角形狀態(tài)，而是呈現(xiàn)梯形狀態(tài)，說明此時(shí)區(qū)段內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)有明顯承載作用的彈性核區(qū)，此時(shí)煤柱留設(shè)寬度較為合理。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，確定12003回風(fēng)巷護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度為30 m，采用錨網(wǎng)索+M鋼帶聯(lián)合支護(hù)。錨桿采用Ф22 mm×2500 mm高強(qiáng)滾絲錨桿，頂部采用Ф21.8 mm×8200 mm鋼絞線，幫部采用中Ф21.8 mm×4200 mm鋼絞線，錨索配合δ16-300×300 mm錨索托盤支護(hù)。每50 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)顯示距巷道迎頭40 m范圍內(nèi)巷道位移變化量最大，每天平均變形速率50 mm/d，150 m后趨于平穩(wěn)，每天平均變形速率5 mm/d。至巷道掘進(jìn)完成，沿空幫最大移近量236 mm，實(shí)體幫最大移近量176 mm，頂板最大下沉量69 mm，底鼓量最大226 mm，能夠滿足生產(chǎn)需要。

5結(jié)論

采用理論分析與數(shù)值分析相結(jié)合的方法對(duì)糯東煤礦12003回風(fēng)順槽的沿空掘巷煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）若要保證煤柱煤體的穩(wěn)定，必須保證煤柱內(nèi)有合理寬度的彈性核區(qū)。

（2）根據(jù)糯東煤礦12003回風(fēng)順槽實(shí)際地質(zhì)情況，當(dāng)煤柱留設(shè)寬度達(dá)到25～30 m時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中狀態(tài)不再呈三角形狀態(tài)，而是呈現(xiàn)梯形狀態(tài)，說明此時(shí)區(qū)段內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)有明顯承載作用的彈性核區(qū)，此時(shí)煤柱留設(shè)寬度較為合理；當(dāng)煤柱留設(shè)寬度15～25 m時(shí)，需對(duì)煤柱進(jìn)行及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，方能保證煤柱穩(wěn)定；而當(dāng)煤柱留設(shè)寬度小于15 m時(shí)，煤柱幾乎不能保持穩(wěn)定。