金達煤業(yè)10402工作面回風順槽區(qū)段煤柱留設研究

張鵬飛

（山西煤炭運銷集團金達煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 032300）

1 工程概況

金達煤業(yè)四采區(qū)10402綜放工作面回風順槽位于井田東南部的四采區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場揭露情況，研究區(qū)域內(nèi)9、10號煤層的層間距為6.9～12 m，10號煤層厚度為6.0 m，含多層夾矸，煤層相對穩(wěn)定，10號煤層采用綜放開采，工作面順槽沿煤層底板布置，均為矩形斷面。目前上覆9號煤層已經(jīng)采空，正在開采10號煤層，其中10402工作面運輸順槽已經(jīng)掘進完畢，正在掘進10402工作面開切眼，準備掘進10402工作面回風順槽。

隨著煤礦開采深度的加大，原巖應力升高，護巷煤柱寬度越來越大，不僅使得煤炭采出降低、巷道維護困難，傳統(tǒng)的留設較寬的區(qū)段煤柱護巷的布置方式已不能滿足要求，因此選擇在10402綜放工作面回風順槽留區(qū)段煤柱沿空掘巷來提高煤炭采出率。

2 計算區(qū)段煤柱合理寬度

區(qū)段煤柱護巷的關鍵是煤柱寬度的確定，合理的煤柱寬度不僅能夠保證巷道圍巖變形量滿足生產(chǎn)要求，還可以盡可能多地減少煤炭資源的損失。上區(qū)段開采后在煤體形成破裂區(qū)，塑性區(qū)，彈塑性區(qū)，彈性區(qū)，沿空巷道在煤體的塑性區(qū)和彈塑性區(qū)內(nèi)開挖，巷道圍巖不同的應力區(qū)域重新劃分，建立沿空巷道力學模型，如圖1所示。

按照煤巷兩幫煤體應力和極限平衡理論，結(jié)合護巷煤柱寬度與圍巖變形量的關系，在考慮提高錨桿錨固力和支護作用的前提下，使煤柱盡可能小，綜合影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素，可按下式確定合理的煤柱寬度B：

式中：x1為上區(qū)段工作面開采后在采空區(qū)側(cè)煤體中產(chǎn)生的破裂區(qū)寬度，其值可由式（1）給出；x2為幫錨桿的有效長度，跟距金達煤業(yè)的實際情況，幫錨桿有效長度取2.2 m；x3為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定系數(shù)，按（x1+x2）（0.15～0.35）計算。

其中：m為上區(qū)段平巷高度，m；A為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/(1-μ)，μ為泊松比，取0.25；?0為煤體內(nèi)摩擦角，°；C0為煤體內(nèi)粘聚力，MPa；K為應力集中系數(shù)，取2～3；γ為煤巖層平均體積力，容重25k N/m3；H為巷道埋藏深度，m；Pz為煤幫的支護阻力，MPa；

10402回風順槽各參數(shù)如下：m=2.9 m，K=2.5，?0=23°，C0=2.1 MPa，γ=25 k N/m3，H=390 m，Pz=0.078 MPa，A=0.33，將各參數(shù)帶入式（4.2）可得塑性區(qū)寬度x1為1.97 m。

將塑性區(qū)寬度塑性區(qū)寬度x1，幫錨桿的有效長度x2，代入式（2.1）可得區(qū)段煤柱的寬度B=x1+x2+x3=（1.15～1.35）（x1+x2）=4.77～5.61 m。

因此，由理論計算可得區(qū)段煤柱的合理寬度應為4.77～5.61 m。

3 數(shù)值模擬計算

3.1 數(shù)值模型的建立

為確定留設煤柱最宜寬度，通過數(shù)值模擬分析不同寬度煤柱下煤體情況。結(jié)合研究區(qū)域的地質(zhì)條件和開采條件，確定數(shù)值模擬模型尺寸為長×寬×高=400 m×400 m×90 m，模型劃分258 720個單元，272 646個結(jié)點。模型的4個側(cè)面為位移邊界，限制水平位移，底部為固定邊界，限制垂直位移。模型模擬10號煤層厚6.0 m，煤層頂板50.2 m，底板33.8 m。模擬時煤層埋藏深度按此煤層最大埋深考慮，取390 m。煤層上覆剩余巖層的重力按均布載荷施加在模型的上部邊界。數(shù)值模擬模型見圖2。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

利用F LAC3D分別對留設煤柱寬度5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、8.0 m的沿空巷道進行數(shù)值模擬，對不同寬度煤柱條件下的巷道圍巖及煤柱的受力特點進行分析，不同寬度煤柱時，區(qū)段煤柱內(nèi)及10402回風順槽的垂直應力分布曲線見圖3。

圖3 10402回風順槽圍巖的垂直應力分布曲線

根據(jù)圖3中的垂直應力分布曲線可知，區(qū)段煤柱內(nèi)的垂直應力呈現(xiàn)較為明顯的非對稱分布，主要集中在采空區(qū)側(cè)，距離采空區(qū)0～3 m范圍內(nèi)應力集中比較明顯。當煤柱寬度≥6.5 m時，隨著區(qū)段煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)的最大垂直應力基本穩(wěn)定，煤柱寬度≥6.5 m比較利于區(qū)段煤柱的穩(wěn)定。

通過對比煤柱下及采空區(qū)下方煤柱內(nèi)回風順槽一側(cè)的垂直應力分布情況可知，區(qū)段煤柱內(nèi)距離回風順槽0.5～1.0 m處的垂直應力有輕微的應力集中，在0.5～2.0 m范圍內(nèi)的垂直應力逐漸下降并趨于穩(wěn)定。由圖4（a）（b）中的曲線圖可知，當煤柱寬度為5.0 m時，回風順槽一側(cè)的垂直應力集中較為明顯，最大應力出現(xiàn)在距離回風順槽0.75 m處，距離回風順槽0.75～1.75 m范圍內(nèi)的垂直應力明顯下降；當煤柱寬度大于等于6.5 m時，回風順槽側(cè)的應力分布較為平緩，有利于回風順槽一側(cè)巷道的維護。圖4（c）（d）中回風順槽工作幫的垂直應力分布曲線可知，回風順槽工作幫的垂直應力由巷道表面到煤壁深部呈現(xiàn)先增加后降低并逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢，應力集中出現(xiàn)在距離煤壁0～3.0 m范圍內(nèi)。隨著區(qū)段煤柱寬度的增加，對應位置的垂直應力逐漸降低。

3.3 不同寬度煤柱下塑性區(qū)分布

在相同的開采條件下，利用F LAC3D分別對留設煤柱寬度5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、8.0 m的沿空巷道進行數(shù)值模擬，得出回風順槽圍巖塑性變化分布規(guī)律。如圖4所示。

圖4 區(qū)段煤柱內(nèi)及10402回風順槽圍巖塑性破壞圖

由圖4可知，區(qū)段煤柱的塑性破壞主要體現(xiàn)在煤柱采空區(qū)側(cè)的煤壁及頂煤、區(qū)段煤柱內(nèi)部、回風順槽巷道表面塑性破壞，且由于巷道的支護作用，回風順槽的表面破壞范圍較小，巷道圍巖較為穩(wěn)定。當煤柱寬度為5.0 m時，區(qū)段煤柱內(nèi)采空區(qū)側(cè)破壞嚴重，采空區(qū)側(cè)頂煤發(fā)生較大面積的塑性破壞，頂煤破壞深度為2.0～2.5 m，隨著煤柱寬度的增加，回風順槽頂板塑性破壞逐漸減少，當煤柱寬度大于6.0 m時，采空區(qū)側(cè)的頂煤破壞與煤柱內(nèi)部的塑性破壞區(qū)未貫通，由此可見，煤柱寬度大于6.0 m時，比較有利于區(qū)段煤柱的穩(wěn)定。

根據(jù)區(qū)段煤柱內(nèi)的應力分布及圍巖破壞情況，煤柱寬度≥6.5 m時，煤柱內(nèi)及回風順槽的圍巖應力有利于巷道的維護，煤柱及回風順槽的圍巖破壞也有利于圍巖的穩(wěn)定，建議區(qū)段煤柱寬度取6.5 m。

4 工程實踐

留設煤柱后，根據(jù)工作面的實際布置情況，對工作面回風順槽巷圍巖穩(wěn)定性進行監(jiān)測，來探究留設區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性及合理性。在回風順槽中每相隔50 m采用十字布點法布置1個表面位移測站，共計布置2個測站。測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 巷道表面位移監(jiān)測

根據(jù)圖5監(jiān)測曲線可知，1號監(jiān)測點頂?shù)装?-12 d內(nèi)變形較為劇烈，15 d后基本趨于平緩。其中最大頂板移近量為82 mm，平均每天移近1.37 mm。兩幫移近量相對較大，該移近量在1-24 d內(nèi)變化較為劇烈，34 d后趨于平緩。其中兩幫最大移近量為144 mm，平均每天移近量2.4 mm。

2號監(jiān)測點頂?shù)装?-14 d內(nèi)變形較為劇烈，16天后基本趨于平緩。其中最大移近量為86mm，平均每天移近量1.41 mm。兩幫移近量相對較大，該位置在1-25 d變形較為劇烈，之后35 d趨于平緩。其中兩幫最大移近量為159 mm，平均每天移近量為2.52 mm。根據(jù)以上分析可知，兩幫移近量和頂板移近量變形在可控范圍內(nèi)，可認為巷道整體支護手段有效可行。

5 結(jié)語

本文以金達煤業(yè)10402綜放工作面留設區(qū)段煤柱為背景，結(jié)合本礦資料，通過理論計算并輔以數(shù)值模擬軟件驗證等手段確定了合理的6.5 m的區(qū)段煤柱寬度。10402綜放工作面回采過程中，對回風順槽圍巖進行表面位移監(jiān)測，通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析研究可知，留設的煤柱可以維持巷道穩(wěn)定，煤柱寬度合理，滿足工程需求。