厚煤層孤島工作面沿空掘巷小煤柱寬度研究

馬 賽

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)浙能麻家梁煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000）

麻家梁礦主采山西組4 號(hào)煤，煤層厚度1.35～12.93 m。以往工作面區(qū)段煤柱寬度為38 m，臨空巷道位于應(yīng)力增高區(qū)，煤柱應(yīng)力集中程度高，回采期間巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道發(fā)生劇烈變形，兩幫移近量超過(guò)1500 mm，底鼓量超過(guò)2000 mm，制約了礦井高產(chǎn)高效開(kāi)采。因此，研究特厚煤層綜放工作面回采巷道區(qū)段煤柱的寬度，對(duì)控制臨空巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)礦井安全、高效開(kāi)采具有重要意義[1-2]。

小煤柱沿空掘巷技術(shù)能夠解決臨空巷道強(qiáng)礦壓難題，同時(shí)可以提高工作面資源回收率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)沿空掘巷小煤柱寬度確定的研究主要有：李磊、王紅勝等[3-4]基于弧形三角塊建立了沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，推導(dǎo)得出合理的小煤柱寬度；柏建彪等[5-6]通過(guò)數(shù)值模擬方法確定了合理的窄煤柱寬度，認(rèn)為合理的窄煤柱寬度為：軟煤4～5 m，中硬煤3～4 m。

1 工程概況

麻家梁礦14203-1 孤島工作面位于井田二采區(qū)的東部。工作面北部為二采區(qū)4 條盤區(qū)大巷，西部為14204 工作面采空區(qū)，南部為實(shí)體煤，東部為14202 工作面采空區(qū)。其中，14203-1 膠帶運(yùn)輸巷為小煤柱沿空掘巷試驗(yàn)巷道，工作面布置如圖1。

圖1 14203-1 工作面布置平面圖

工作面主采二疊系山西組4 號(hào)煤層，煤層平均埋深600 m，全煤厚度6.25～12.23 m，平均9.24 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸1～4 層，夾矸厚0.02～0.82 m，硬度f(wàn)=1～2。直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為7.64 m；基本頂為中粒砂巖，厚度為7.26 m；直接底為高嶺質(zhì)泥巖，厚度為1.37 m；基本底為細(xì)砂巖，厚度為5.51 m。

2 小煤柱合理寬度的確定

沿空巷道留設(shè)寬度的確定是以采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律為基礎(chǔ)，合理的小煤柱留設(shè)寬度應(yīng)將煤柱布置在采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力降低區(qū)。在側(cè)向應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)距采空區(qū)xi處，煤體彈性模量為Exi；應(yīng)力降低區(qū)邊緣處距采空區(qū)距離為x0煤體彈性模量為Ex0；側(cè)向支承壓力峰值位置處距采空區(qū)距離為x1，煤體彈性模量為Ex1，在原巖應(yīng)力區(qū)，煤體彈性模量為E0。距采空區(qū)不同距離處煤體彈性模量存在以下關(guān)系：

距采空區(qū)越近，煤體彈性模量越小，即小煤柱寬度越小，其煤體強(qiáng)度越低，承載能力越弱。若小煤柱寬度過(guò)大，煤柱具有較好的承載能力，但在本工作面超前支承壓力和相鄰采空區(qū)側(cè)向支承壓力疊加作用下，高應(yīng)力集中易引起沿空巷道變形失穩(wěn)。因此，小煤柱寬度的確定既要保證巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，又要使其具備一定的承載能力，在此基礎(chǔ)上，小煤柱寬度越小，煤柱應(yīng)力集中程度越低，越有利于保持小煤柱和沿空巷道的穩(wěn)定。

（1）小煤柱寬度上限確定

小煤柱寬度應(yīng)保證沿空巷道和巷道周圍錨桿組合支護(hù)以及錨桿與圍巖組成的錨固體均在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，因此，小煤柱寬度上限計(jì)算模型如圖2。

圖2 小煤柱寬度上限計(jì)算模型

煤柱寬度應(yīng)滿足公式：

式中：a為小煤柱寬度，m；x0為側(cè)向支承壓力降低區(qū)最大寬度，m；b為沿空巷道寬度，m；c為幫錨桿長(zhǎng)度，m。

（2）小煤柱寬度下限確定

小煤柱應(yīng)具有穩(wěn)定性，并能夠有效隔絕采空區(qū)，因此煤柱寬度不能過(guò)小。為保證煤柱的穩(wěn)定性，除煤柱兩側(cè)的松破碎區(qū)外，還應(yīng)在煤柱中部存在相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域。小煤柱寬度下限計(jì)算模型如圖3。

圖3 小煤柱寬度下限計(jì)算模型

煤柱寬度應(yīng)滿足公式：

式中：d1為煤柱在采空區(qū)側(cè)松動(dòng)區(qū)寬度，m；d2為煤柱安全系數(shù)，取0～0.5（d1+d3）；d3為煤體在沿空巷道側(cè)松動(dòng)區(qū)寬度，m。其中，d1、d3可根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果確定，對(duì)于厚煤層小煤柱兩側(cè)松動(dòng)區(qū)寬度一般為1～2 m。d2應(yīng)綜合小煤柱煤體完整性、采取的煤體加固措施、錨桿（索）錨固要求、相鄰工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力降低區(qū)范圍等因素選取。當(dāng)d1+d3≤2 時(shí)，小煤柱煤體完整性較好，圍巖破碎范圍較小，d2取0.3～0.5（d1+d3），小煤柱應(yīng)能滿足隔離采空區(qū)和錨桿錨固要求；當(dāng)2＜d1+d3≤4時(shí)，小煤柱煤體完整性一般，但能夠維持自身穩(wěn)定和達(dá)到隔離采空區(qū)的要求，為使錨桿（索）具有良好的錨桿性能，d2取0.2～0.3（d1+d3）；當(dāng)4 ＜d1+d3，小煤柱煤體完整性較差，圍巖破碎范圍較大，應(yīng)采取注漿加固、加強(qiáng)支護(hù)等措施提高煤柱的穩(wěn)定性和錨桿（索）錨固力，為使沿空巷道處于相鄰工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力降低區(qū)范圍內(nèi)，d2取0～0.2（d1+d3）。

（3）小煤柱寬度范圍確定

14203-1 膠帶運(yùn)輸巷斷面為矩形，尺寸為5500 mm×3800 mm，x0為12.65 m，b為5.5 m，c為2.5 m，d1為1.3 m，d2為0.87 m，d3為1.6 m。

將上述參數(shù)代入式（3）和式（4）計(jì)算出小煤柱寬度取值范圍為3.77～4.65 m。

（4）小煤柱的塑性破壞區(qū)及應(yīng)力分布特征

為全面、深入地掌握沿空掘巷不同寬度小煤柱的塑性破壞區(qū)分布特征及應(yīng)力分布規(guī)律，進(jìn)一步確定煤柱內(nèi)沿空掘巷的合理位置。采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算軟件對(duì)3 m、5 m、7 m 和9 m 煤柱寬度進(jìn)行模擬。

通過(guò)對(duì)比不同煤柱寬度下圍巖塑性破壞區(qū)（圖4）可得：當(dāng)煤柱寬度為3 m 和5 m 時(shí)，受14204工作面回采及巷道掘進(jìn)對(duì)圍巖擾動(dòng)的影響，煤柱內(nèi)部塑性破壞區(qū)域已經(jīng)相互貫通；當(dāng)煤柱寬度為7 m時(shí)，可以看出煤柱仍處于塑性破壞狀態(tài)；當(dāng)煤柱寬度為9 m 時(shí)，煤柱內(nèi)部存在2 m 左右的彈性區(qū)域。說(shuō)明煤柱寬度在超過(guò)某一臨界值之后煤柱內(nèi)部塑性區(qū)的寬度會(huì)保持恒定，而彈性區(qū)寬度會(huì)隨著煤柱寬度的增加而遞增，顯然在此條件下塑性區(qū)寬度的臨界值為7 m。

圖4 不同煤柱寬度下的塑性區(qū)分布

通過(guò)對(duì)比不同煤柱寬度下垂直應(yīng)力分布（圖5）可得，受14204 工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力作用，小煤柱產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，煤柱中部1 m 范圍支承壓力較大，但應(yīng)力值低于原巖應(yīng)力，煤柱中應(yīng)力值差距不大；隨著煤柱寬度進(jìn)一步增大（5 m 和7 m），應(yīng)力分布規(guī)律與煤柱寬度為3 m 時(shí)接近，所不同的是煤柱內(nèi)部應(yīng)力值差距逐漸明顯，高應(yīng)力區(qū)域逐漸變大，所占比例也在逐步增大，但最大應(yīng)力值仍低于原巖應(yīng)力；當(dāng)煤柱寬度為9 m 時(shí)，煤柱中部應(yīng)力值已超過(guò)原巖應(yīng)力?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著煤柱寬度的增加，煤柱中部的應(yīng)力集中程度將進(jìn)一步升高，高應(yīng)力區(qū)域也將逐漸增大。因此，小煤柱寬度應(yīng)處在上述應(yīng)力均衡范圍之內(nèi)，使14203-1 膠帶運(yùn)輸巷處在14204 工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力降低區(qū)內(nèi)，即小煤柱的最大寬度為7 m。

圖5 不同煤柱寬度下的應(yīng)力分布

依據(jù)不同寬度小煤柱的塑性破壞區(qū)分布特征及應(yīng)力分布規(guī)律，小煤柱的臨界寬度為7 m，但該模擬條件下未考慮巷道錨桿錨固范圍內(nèi)的應(yīng)力，因此，小煤柱寬度選取4.5 m 更為合理。

由于小煤柱內(nèi)有臨空調(diào)車硐室，均為外錯(cuò)布置（入深6 m），留設(shè)5 m 煤柱時(shí)，14203-1 膠帶運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)程中將與其導(dǎo)通。作為礦井第一個(gè)孤島小煤柱沿空掘巷試驗(yàn)工作面，綜合考慮巷道圍巖應(yīng)力分布和安全等各方面因素，最終將小煤柱寬度擴(kuò)大到7 m，此時(shí)巷道圍巖將部分處于應(yīng)力增高區(qū)，設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案時(shí)需要提高巷道支護(hù)強(qiáng)度。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

14203-1 膠帶運(yùn)輸巷采用“錨桿+W 鋼帶+錨索+JW 鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，在巷道圍巖內(nèi)形成連續(xù)、穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，支護(hù)斷面圖如圖6。

圖6 14203-1 膠帶運(yùn)輸巷支護(hù)斷面圖（mm）

巷道圍巖變形量是衡量巷道礦壓顯現(xiàn)程度的重要指標(biāo)。為及時(shí)掌握巷道圍巖控制效果，掘進(jìn)期間重點(diǎn)對(duì)圍巖表面位移和頂板離層進(jìn)行觀測(cè)，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7、圖8。

圖7 巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

圖8 巷道頂板離層監(jiān)測(cè)曲線

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：

14203-1 膠帶運(yùn)輸巷從掘進(jìn)到穩(wěn)定，兩幫最大移近量為530 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?51 mm，兩幫最大移近速率32 mm/d，頂?shù)装遄畲笠平俾?4 mm/d，巷道開(kāi)挖初期圍巖變形較快，之后逐漸減小，19 d 后巷道變形速率平緩；巷道頂板離層深基點(diǎn)離層值最大為72 mm，淺基點(diǎn)離層值最大為22 mm，淺基點(diǎn)—深基點(diǎn)之間離層值最大為50 mm，且離層量小，在可控范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析了沿空巷道不同留設(shè)寬度條件下的煤柱塑性變形區(qū)和應(yīng)力分布特征，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)臨空調(diào)車硐室尺寸，綜合考慮各方面影響因素，最終確定小煤柱的合理寬度為7 m。

（2）14203-1 工作面合理的小煤柱寬度及圍巖控制技術(shù)能夠滿足生產(chǎn)需求，保證了巷道圍巖安全，提高了工作面煤炭資源采出率，為礦井及朔南礦區(qū)后續(xù)孤島工作面的沿空巷道布置提供了理論依據(jù)。