龐龐塔礦10 號(hào)煤層綜放沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化研究

王亞飛

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200）

0 引 言

能源賦存結(jié)構(gòu)特征決定了煤炭是我國(guó)的主要消費(fèi)能源，支撐著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，雖然國(guó)家推廣能源結(jié)構(gòu)向綠色轉(zhuǎn)變，但是煤炭的需求量和開采強(qiáng)度仍然在持續(xù)增加[1-2]，目前在中東部礦區(qū)，淺部?jī)?yōu)質(zhì)的煤炭資源已逐漸開采殆盡，提高煤炭回收率也逐漸引起重視。專家學(xué)者提出了無(wú)煤柱開采技術(shù)，并得到了廣泛應(yīng)用，無(wú)煤柱開采技術(shù)主要包括沿空掘巷和沿空留巷2 種[3-4]，其中，沿空掘巷是沿上區(qū)段采空區(qū)留設(shè)一定寬度（一般為3～14 m）的煤柱掘進(jìn)下區(qū)段的回采巷道，該技術(shù)的在于煤柱寬度的確定，煤柱寬度較寬，煤柱長(zhǎng)期受支承壓力影響（處于應(yīng)力增高區(qū)），不利于煤柱穩(wěn)定，而煤柱寬度較窄時(shí)則不利于采空區(qū)密閉，都會(huì)造成適得其反的效果[5-6]，本文以龐龐塔礦10 號(hào)煤層綜放工作面沿空掘巷為工程背景，通過理論計(jì)算綜放沿空掘巷煤柱合理寬度，同時(shí)進(jìn)一步采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行10 號(hào)煤層綜放沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化研究。

1 工程背景

龐龐塔煤礦位于山西臨縣，礦井主采太原組中下部10 號(hào)煤層，煤厚11.8 m，傾角15°，煤層直接頂為厚16.0 m 的深灰色石灰?guī)r，致密塊狀，節(jié)理發(fā)育，性堅(jiān)韌；偽頂為0.5～1 m 厚的灰色泥巖，中厚層狀；底板為3.0 m 厚的淺黑色砂質(zhì)泥巖，薄層狀，裂隙發(fā)育。10 號(hào)煤層用綜放開采工藝，工作面采高3.0 m，放煤高度8.8 m，采放比2.93∶1，采用單向割煤、單輪順序放煤工藝，一采一放，割煤、放煤步距均為0.8 m。煤層1、7 采區(qū)工作面區(qū)段煤柱寬度普遍在20 m 以上，煤柱損失量較大，為提高煤炭回收率，龐龐塔礦計(jì)劃開展區(qū)段小煤柱沿空掘巷工業(yè)性試驗(yàn)。

2 綜放沿空掘巷煤柱合理寬度理論計(jì)算

2.1 沿空掘巷覆巖破斷模型

工作面自開切眼向前推進(jìn)一段距離時(shí)，首先在懸露基本頂巖層的中央位置及2 個(gè)長(zhǎng)邊位置形成平行的斷裂線，然后再在短邊形成斷裂線，并與長(zhǎng)邊斷裂線相互貫通，最后基本頂巖層沿貫通的斷裂線發(fā)生回轉(zhuǎn)且形成形成結(jié)構(gòu)塊（巖塊B 和C），基本頂巖層在采空區(qū)中部接觸矸石后，運(yùn)動(dòng)較平緩，基本頂巖層初次破斷后的平面圖形近似呈橢圓狀，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板巖層周邊斷裂線回轉(zhuǎn)形成周期性垮落，又形成新的結(jié)構(gòu)塊[7]。

在沿空掘巷時(shí)，直接頂巖層受到關(guān)鍵塊體（巖塊B）的運(yùn)動(dòng)而旋轉(zhuǎn)下沉，關(guān)鍵塊體（巖塊B）的穩(wěn)定情況直接影響到沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定，一般來(lái)說，煤柱寬度較窄時(shí)將無(wú)法阻止上覆關(guān)鍵塊體（巖塊B）的旋轉(zhuǎn)下沉，基本頂巖層破斷下沉?xí)r，窄煤柱將進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)，以適應(yīng)關(guān)鍵塊體（巖塊B）的旋轉(zhuǎn)下沉，減小對(duì)窄煤柱的壓力[7]。

圖1 沿空掘巷覆巖破斷模型

2.2 關(guān)鍵塊B 的參數(shù)

關(guān)鍵塊相關(guān)的參數(shù)主要包括塊體沿推進(jìn)方向的長(zhǎng)度、側(cè)向跨度以及斷裂位置。

圖2 關(guān)鍵塊B 的主要參數(shù)

1）關(guān)鍵塊沿推進(jìn)方向的長(zhǎng)度L1為基本頂周期來(lái)壓步距，根據(jù)10 號(hào)煤層已采工作面礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測(cè)，周期來(lái)壓平均步距為24 m。

2）關(guān)鍵塊側(cè)向跨度L2為基本頂斷裂后塊體沿采場(chǎng)傾向的懸跨長(zhǎng)度，可采用公式（1）計(jì)算得到：

式中:工作面取200 m，L1取24 m，計(jì)算得到關(guān)鍵塊側(cè)向跨度L2=24.6 m。

3）關(guān)鍵塊斷裂位置一般位于煤體彈塑性交接處，可采用公式（2）計(jì)算得到：

式中：工作面采高m取9.89 m（考慮頂煤回收率），側(cè)壓系數(shù)A取0.2，工作面開采煤層煤體內(nèi)摩擦角φ0、內(nèi)聚力C0分別取12°、1.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)K、上覆巖層容重γ分別取2.5、25 kN/m3，巷道埋深H取400 m。

經(jīng)計(jì)算關(guān)鍵塊斷裂位置X0=5.0 m。

2.3 煤柱合理寬度的理論計(jì)算

煤柱合理寬度應(yīng)包括煤幫塑性區(qū)寬度、錨桿長(zhǎng)度以及煤柱安全系數(shù)，采用公式（3）計(jì)算：

式中:X1為煤幫塑性區(qū)寬度，根據(jù)關(guān)鍵塊斷裂位置確定，取5.0 m；X2為錨桿長(zhǎng)度取2.0 m；X3為煤柱安全系數(shù)取（0.15～0.35）·（Xl+X2）。

經(jīng)計(jì)算，龐龐塔礦10 號(hào)煤層綜放面區(qū)段煤柱寬度應(yīng)在8～9.5 m 范圍。

3 煤柱寬度對(duì)煤柱應(yīng)力演化的影響分析

建立基于龐龐塔礦10 號(hào)煤層實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件的FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，分析不同階段不同煤柱寬度下煤柱應(yīng)力分布規(guī)律。

3.1 上區(qū)段工作面回采后圍巖應(yīng)力分布特征

圖3 給出了上區(qū)段工作面回采后圍巖應(yīng)力分布云圖，如圖所示，受上區(qū)段工作面回采影響，采場(chǎng)圍巖應(yīng)力在較大范圍內(nèi)進(jìn)行了重新分布，在工作面頂?shù)装鍘r層中出現(xiàn)大范圍的卸壓區(qū)域，而工作面端頭位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，由圖可知，在距工作面端頭8 m 以內(nèi)區(qū)域?yàn)閼?yīng)力降低區(qū)，距離工作面端頭10～15 m 區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力核區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力最高達(dá)30 MPa 以上。

圖3 圍巖應(yīng)力分布云圖

圖4 給出了上區(qū)段工作面回采后的側(cè)向支承壓力分布曲線圖，從圖中可以看出，工作面煤層內(nèi)原巖應(yīng)力為12.5 MPa，距離采空區(qū)邊緣0～9.0 m 范圍內(nèi)煤體垂直應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，屬于應(yīng)力降低區(qū)，煤柱內(nèi)支承應(yīng)力峰值為32.0 MPa，距離采空區(qū)邊緣13.0 m，集中系數(shù)2.5。

圖4 側(cè)向支承壓力分布

3.2 掘巷階段圍巖應(yīng)力分布特征

圖5 給出了掘巷階段煤柱寬度為6、7、8、9 m對(duì)應(yīng)的巷道圍巖應(yīng)力分布云圖，有圖可知，不同煤柱寬度下的巷道圍巖均處于應(yīng)力降低區(qū)，距離巷道上幫5～15 m 區(qū)域?yàn)槊后w應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力核區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力25～32 MPa。

圖5 掘巷階段巷道圍巖應(yīng)力分布

圖6 掘巷階段底板垂直應(yīng)力分布

圖6 給出了掘巷階段煤柱寬度為6、7、8 、9 m對(duì)應(yīng)的底板垂直應(yīng)力分布曲線圖（取煤層底板以下3 m 沿傾向作1 條觀測(cè)線），從圖中可以看出，當(dāng)煤柱寬度由6.0 m 增加至9.0 m 時(shí)，煤層底板觀測(cè)線傳播的最大應(yīng)力3.0 MPa 增加至6.5 MPa，均低于原巖應(yīng)力（12.5 MPa），巷道均處于應(yīng)力降低區(qū)，底板觀測(cè)線傳播應(yīng)力峰值為26.0～28.0 MPa。

3.3 二次回采階段圍巖應(yīng)力分布特征

圖7 給出了二次回采階段煤柱寬度為6、7、8、9 m 對(duì)應(yīng)的二次圍巖應(yīng)力分布云圖，如圖所示，二次回采階段不同寬度的煤柱都處于卸壓破碎狀態(tài)，雖然巷道圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)，但煤柱出現(xiàn)了嚴(yán)重的破碎變形，煤柱應(yīng)力分布對(duì)比發(fā)現(xiàn)，煤柱寬度9 m時(shí)，中部出現(xiàn)寬度1.5～2 m 彈性核區(qū)，有利于保持煤柱的穩(wěn)定性。

圖8 給出了回采階段煤柱寬度為6、7、8、9 m對(duì)應(yīng)的底板垂直應(yīng)力分布曲線圖（取煤層底板以下3 m 沿傾向作1 條觀測(cè)線），從圖中可以看出，當(dāng)煤柱寬度由6.0 m 增加至9.0 m 時(shí)，煤層底板觀測(cè)線傳播的最大應(yīng)力2.6 MPa 增加至3.5 MPa，均顯著低于原巖應(yīng)力（12.5 MPa），煤柱寬度為6.0 m 時(shí)，應(yīng)力曲線呈單峰分布，煤柱寬度為9.0 m 時(shí)，應(yīng)力曲線呈平底狀分布，表明煤柱寬度為9.0 m 時(shí)，煤柱整體承載性較好。

圖7 掘巷階段巷道圍巖應(yīng)力分布

圖8 回采階段時(shí)底板垂直應(yīng)力分布

基于煤柱合理寬度的理論計(jì)算結(jié)果以及不同階段煤柱寬度對(duì)煤柱應(yīng)力演化的影響規(guī)律，同時(shí)，考慮到10 號(hào)煤層煤質(zhì)較軟、小煤柱易片幫等特點(diǎn)，最終確定10 號(hào)煤層綜放沿空掘巷煤柱寬度為9 m。

4 煤柱失穩(wěn)條件分析與防治措施

4.1 煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

工作面區(qū)段煤柱受長(zhǎng)期載荷作用產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，由此造成煤柱變形能否穩(wěn)定，主要取決于上覆巖層作用的載荷和煤柱的臨界承載能力，如果煤柱承受載荷小于其臨界承載能力，那么煤柱僅穩(wěn)定蠕變，不會(huì)造成煤柱破壞失穩(wěn)，如果煤柱承受載荷大于其臨界承載能力，那么煤柱將出現(xiàn)不穩(wěn)定蠕變，在長(zhǎng)期載荷的作用下將導(dǎo)致煤柱的破壞失穩(wěn)。

由于長(zhǎng)期載荷作用，煤柱發(fā)生蠕變，煤柱的強(qiáng)度隨之降低，因此，保證煤柱的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度是煤柱穩(wěn)定的一個(gè)很重要因素，當(dāng)煤柱的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度在允許范圍內(nèi)，煤柱可以長(zhǎng)期受載，其蠕變變形屬于穩(wěn)定蠕變，資料表明，井下巷道開挖后，其圍巖中的應(yīng)力重新分布，在初期可保持穩(wěn)定的圍巖，隨時(shí)間推移最終可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4.2 煤柱的動(dòng)力穩(wěn)定性

煤柱的動(dòng)力穩(wěn)定性是指煤柱在時(shí)間的推移下能否保持平衡及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能的性質(zhì)，在外界某種因素的擾動(dòng)下，如果煤柱力學(xué)系統(tǒng)能夠保持原來(lái)的平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則煤柱力學(xué)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，如果煤柱力學(xué)系統(tǒng)不能保持原來(lái)的平衡狀態(tài)，則煤柱力學(xué)系統(tǒng)是非穩(wěn)定的，即煤柱的動(dòng)力失穩(wěn)就是煤柱在外界動(dòng)力作用的影響下，平衡狀態(tài)突然改變的過程[8]。

龐龐塔煤礦10 號(hào)煤層采用綜采放頂煤技術(shù)之后，開采高度加大，頂板破斷尤其是直接頂16 m 厚的石灰?guī)r破斷有可能導(dǎo)致工作面發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害，而動(dòng)力災(zāi)害又與煤柱穩(wěn)定性密切相關(guān)。礦井動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生時(shí)，煤、巖力學(xué)系統(tǒng)釋放巨大能量，從而導(dǎo)致煤柱的動(dòng)力失穩(wěn)，引發(fā)頂板的大面積垮落。

4.3 煤柱失穩(wěn)防治措施

根據(jù)煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和動(dòng)力穩(wěn)定性分析，煤柱失穩(wěn)的條件主要有：①煤柱承載能力低于所受載荷；②煤柱的長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度小于其發(fā)生非穩(wěn)定蠕變時(shí)的載荷；③煤柱的瞬時(shí)強(qiáng)度小于所受動(dòng)力載荷[9]。

1）提高煤柱的承載能力。根據(jù)A.H.Wilson 煤柱力學(xué)模型，煤柱的極限承載能力和煤柱寬度直接相關(guān)，要提高煤柱的承載能力最方便的手段就是增大煤柱寬度。

2）提高煤柱長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度。龐龐塔礦10 號(hào)煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育，以寬條帶結(jié)構(gòu)為主，其次為線理狀結(jié)構(gòu)，煤層的硬度小、脆度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸1～4 層，夾矸性多為炭質(zhì)泥巖，其硬度相對(duì)較小，因此，為提高煤柱長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度可采取必要的加固措施。

3）預(yù)防沖擊載荷。可通過改善巷道圍巖應(yīng)力分布特征或彈性能集中程度，及時(shí)對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行卸壓處理，防止采空區(qū)大面積懸頂，同時(shí)加強(qiáng)煤柱側(cè)的巷道支護(hù)，提高巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)抗沖擊能力。

5 結(jié) 論

為提高煤炭回收率，龐龐塔礦10 號(hào)煤層計(jì)劃進(jìn)行窄煤柱沿空掘巷的工業(yè)性試驗(yàn)，本文建立了綜放沿空掘巷覆巖破斷模型，理論計(jì)算了綜放沿空掘巷煤柱的合理寬度，煤柱寬度應(yīng)在8～9.5 m 范圍，基于此，分析了掘巷階段和回采階段不同煤柱寬度下圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，考慮到10 號(hào)煤層煤質(zhì)較軟、小煤柱易片幫等特點(diǎn)，最終確定龐龐塔礦10 號(hào)煤層綜放沿空掘巷煤柱寬度為9 m，進(jìn)行了煤柱失穩(wěn)條件分析，并提出了煤柱失穩(wěn)防治措施。