深部厚煤層沿空掘巷窄煤柱寬度的確定

杜廣立

摘要：沿空掘巷留設(shè)窄煤柱是深部沖擊地壓礦井常采用的一種煤柱留設(shè)技術(shù)。本文針對東部地區(qū)深部礦井，采用數(shù)值分析的方法，揭示了沿空掘巷窄煤柱寬度對煤柱應(yīng)力場、位移場及巷道圍巖變形的影響。最終確定了合理的窄煤柱寬度為5m，并提出了巷道支護(hù)對策，以期為深部巷道圍巖控制提供一定指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：沿空掘巷;窄煤柱;巷道;寬度;應(yīng)力

引言

沿空掘巷技術(shù)是在上區(qū)段工作面回采穩(wěn)定以后，沿上區(qū)段采空區(qū)邊緣留窄煤柱掘進(jìn)本區(qū)段工作面回采巷道。其被廣泛應(yīng)用于深部礦區(qū)，不僅可以減少煤炭資源的浪費，還可以利用屈服煤柱，降低沖擊傾向性。

沿空掘巷的關(guān)鍵是確定合理的窄煤柱寬度。國內(nèi)外對沿空掘巷窄煤柱的合理尺寸進(jìn)行了大量研究。柏建彪[1]利用數(shù)值模擬得出煤柱寬度為3～5m時巷道變形量較小，Morsy[2]總結(jié)得出美國屈服煤柱寬度的經(jīng)驗值為6.1～9.1m。本文針對大屯煤電公司孔莊煤礦7436工作面，采用數(shù)值分析的方法，確定窄煤柱的合理寬度。

1工程概況

孔莊煤礦7436工作面開采7#煤層，平均厚度4.5m，傾角16°，埋深800m，工作面沿空掘巷1280m。7#煤層直接頂以粉砂質(zhì)泥巖（1.43m）和粉砂巖（2.63）為主;基本頂為中砂巖（6.96m）灰白色，厚層狀，中粒砂狀結(jié)構(gòu)，較堅硬，成份以石英，長石為主;直接底以粉砂質(zhì)泥巖（3.14m）為主，頂板弱沖擊傾向性，局部地區(qū)中等沖擊。7434工作面開采時側(cè)向支承應(yīng)力峰值位于10～15m之間。

2數(shù)值計算分析

根據(jù)7#煤層的巖層參數(shù)，利用FLAC3D數(shù)值計算開挖模型。模型的尺寸：長×寬×高=600m×100m×98m，采高4.5m。采用應(yīng)變軟化模型，巷道開挖尺寸5m×4m，選取屈服煤柱寬度為3、4、5、6、7、8m。模型邊界條件：上表面施加18MPa載荷，側(cè)面邊界施加水平位移約束，模型底面邊界施加垂向位移約束。

2.1煤柱寬度與應(yīng)力場的關(guān)系

巷道沿空開挖后，經(jīng)過應(yīng)力平衡后提取不同寬度煤柱情況下的煤柱和實體煤的應(yīng)力（如圖 1）。由圖可知：（1）不同煤柱寬度條件下，窄煤柱中部垂直應(yīng)力峰值均小于原巖應(yīng)力。煤柱寬度為3～8m時，煤柱垂直應(yīng)力峰值基本位于煤柱中心，變化范圍為6.08～20.84Mpa，呈現(xiàn)明顯的單峰特征，表明煤柱在載荷作用下產(chǎn)生破壞，沒有形成穩(wěn)定的承載區(qū)域，煤柱整體塑性破壞，承載能力低。（2）不同煤柱寬度條件下，對實體煤側(cè)垂直應(yīng)力影響程度很小。實體煤側(cè)垂直應(yīng)力峰值距離巷道7m，變化范圍為54.22～55.06MPa，煤柱寬度對其影響程度低，采空區(qū)的側(cè)向支承壓力主要由實體煤承擔(dān)。

因此，深部礦井沿空掘巷時，窄煤柱中部垂直應(yīng)力峰值均小于原巖應(yīng)力，煤柱整體塑性破壞。綜合考慮煤柱內(nèi)應(yīng)力場和實際施工情況，煤柱合理寬度應(yīng)該不小于5m。

2.2煤柱寬度與位移場的關(guān)系

巷道沿空開挖后，提取不同寬度煤柱向采空區(qū)側(cè)和巷道側(cè)的水平位移的峰值（圖 2），研究煤柱寬度與位移場的關(guān)系。

由圖3可知：掘巷期間，煤柱向巷道內(nèi)的位移普遍大于向采空區(qū)側(cè)位移。（1）向采空區(qū)側(cè)水平位移峰值隨著煤柱寬度的增加而不斷增大。具體分為兩個階段：煤柱寬度3～5m時，增速較快，為62.8mm/m;煤柱寬度5～8m時，增速明顯放緩，增量30.4mm/m。（2）向巷道側(cè)水平位移峰值隨著煤柱寬度的增加而不斷增大。增速分為兩個階段：煤柱寬度3～5m時，增速較快，為72mm/m;煤柱寬度5～8m時，增速明顯升高，為83.8mm/m。

當(dāng)變形量超過400mm時，對巷道維護(hù)不利。根據(jù)煤柱寬度與位移場的關(guān)系特征，合理寬度為5～6m。

2.3煤柱寬度與巷道變形的關(guān)系

巷道沿空開挖后，提取不同寬度煤柱垂直于巷道斷面方向上煤柱、巷道及實體煤的頂板下沉（圖 3）、底鼓（圖 4）、實體煤幫移進(jìn)量（圖 5），研究煤柱寬度與巷道變形的關(guān)系。

（1）頂板下沉。①煤柱和巷道頂板的下沉顯著高于實體煤，下沉量峰值位于巷道內(nèi)，隨著煤柱寬度的增加，峰值位置趨向于煤柱端。②頂板下沉量隨著煤柱寬度的增加單調(diào)增加，呈現(xiàn)明顯的階段性特征。煤柱寬度3～6m時，頂板下沉隨著煤柱寬度的增大明顯增加（187.2～264.2mm）;煤柱寬度6～8m時，頂板下沉量基本不變（264.2～266.0mm）。

（2）巷道底鼓量。①巷道底鼓量顯著高于窄煤柱與實體煤，底鼓量峰值位于巷道內(nèi)，隨著煤柱寬度的增加，峰值位置由靠近實體煤趨向于煤柱端。②底鼓量隨著煤柱寬度的增加基本保持不變（175.6～203.4mm）。

（3）實體煤幫移進(jìn)量。提取不同寬度實體煤斷面（巷道高4m）向巷道側(cè)的移進(jìn)量。①煤體煤幫位移量呈現(xiàn)中間高、兩邊低，幫底角高于肩窩的特征。②隨著煤柱寬度的增大，實體煤幫移進(jìn)量基本保持不變（404～424mm）。

根據(jù)煤柱寬度與巷道變形的關(guān)系，不同窄煤柱寬度對頂板下沉的影響很大，對底鼓、實體煤的影響相對較小。從巷道變形角度分析，煤柱寬度合理寬度為5～6m。

2.4合理窄煤柱寬度的確定

綜合考慮數(shù)值模擬﹑礦井的實際經(jīng)驗和最小煤炭損失原則確定沿空掘巷窄煤柱合理寬度為5m。（1）煤柱寬度不小于5m，仍有一定承載能力，可隔絕采空區(qū)。（2）當(dāng)煤柱寬度為5～6m時，煤柱兩側(cè)位移大小及變形速率較為穩(wěn)定。（3）當(dāng)煤柱寬度為5～6m時，巷道變形較小，有利于圍巖穩(wěn)定。

3 巷道支護(hù)對策

7436工作面埋深超過800m，經(jīng)過分析，煤柱整體塑性破壞，處于峰后殘余強(qiáng)度。為防止窄煤柱發(fā)生突然失穩(wěn)，誘發(fā)沖擊地壓，應(yīng)做到：

（1）提高材料的強(qiáng)度與預(yù)緊力，加大錨桿長度與錨固長度，保證煤柱淺部圍巖的整體穩(wěn)定性，控制窄煤柱巷道側(cè)邊緣穩(wěn)定。

（2）局部地區(qū)基本頂為堅硬巖層，采取沿采空區(qū)邊緣切斷基本頂，使下方的沿空掘巷窄煤柱處于相對較好的環(huán)境內(nèi)，利于窄煤柱穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）采用數(shù)值模擬方法研究了3～8m窄煤柱下煤柱的應(yīng)力場、位移場及巷道變形特征，綜合確定合理的窄煤柱寬度為5m。

（2）深部礦井沿空掘巷時，窄煤柱中部垂直應(yīng)力峰值均小于原巖應(yīng)力，煤柱整體塑性破壞，承載能力低?；诖?，提出了加固淺部圍巖、采空區(qū)邊緣切頂?shù)闹ёo(hù)策略，保證工作面安全回采。

參考文獻(xiàn)

[1]柏建彪，侯朝炯，黃漢富.沿空掘巷窄煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004（20）：3475-3479.

[2]MORSY K.Design Consideration for Longwall Yield Pillar Stability[D].Morgantown，WV：West Virginia University，2003.