綜放工作面護(hù)巷煤柱的留設(shè)研究與控制技術(shù)

劉建軍，張 焦，靖曉穎

(1.開(kāi)灤能源化工股份有限公司，河北 唐山 063000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

煤炭資源是我國(guó)工業(yè)化發(fā)展的資源基礎(chǔ)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，資源需求也隨之日益增加，煤炭資源在我國(guó)能源體系中的地位至關(guān)重要[1-6]。針對(duì)綜放工作面留設(shè)合理的護(hù)巷煤柱尺寸問(wèn)題，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。趙賓等[7]、王康等[8]研究了煤柱上方基本頂?shù)臄嗔研问郊岸啻尾蓜?dòng)的活動(dòng)規(guī)律確定了煤柱的尺寸；宋志強(qiáng)[9]、石超弘等[10]研究了不同寬度護(hù)巷煤柱的應(yīng)力變化規(guī)律以及破壞范圍，最終確定綜采工作面的護(hù)巷煤柱寬度；侯朝炯等[11]、柏建彪等[12]、梁家豪[13]、張博等[14]研究了巷道圍巖的運(yùn)動(dòng)演化規(guī)律及巷道與二次采動(dòng)之間的聯(lián)系，并最終確定護(hù)巷煤柱的尺寸；孔令海等[15]在厚煤層中采用地震監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)，依據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的震蕩運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，分析巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并確定煤柱寬度；韓承強(qiáng)等[16]在煤柱內(nèi)布置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行鉆孔窺視煤柱內(nèi)的裂隙分布，最終設(shè)計(jì)了四種煤柱尺寸的方案；張廣超等[17-18]研究關(guān)鍵層對(duì)巷道、煤柱的影響程度，分析主應(yīng)力差及塑性區(qū)的分布規(guī)律，最終確定合理護(hù)巷煤柱寬度；張科學(xué)等[19]分析了采空區(qū)側(cè)向的垂直應(yīng)力與峰值的位置，并進(jìn)行了理論計(jì)算與模擬，確定了合理的護(hù)巷煤柱尺寸，研究成果成功應(yīng)用于礦山工作面中。

以上研究成果具有重要的指導(dǎo)意義，本文以串草圪旦煤礦為研究背景，串草圪旦煤礦的6102工作面煤層厚度較大，煤層平均厚度為12.9 m。針對(duì)煤層厚度較大、護(hù)巷煤柱過(guò)大等問(wèn)題，運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法確定合理的護(hù)巷煤柱寬度及支護(hù)參數(shù)。

1 工程概況

串草圪旦煤礦的地形總體呈西北高、東南低的趨勢(shì)，地表標(biāo)高在950～1 150 m之間，煤層平均埋深150 m。6102工作面位于一水平一帶區(qū)6煤層，6102工作面往東無(wú)采掘工程，往西為6103采空區(qū)，往南無(wú)工程。6102工作面的煤層厚度在10.80～15.70 m之間，平均煤層厚度為12.90 m。 老頂為淺灰色細(xì)砂巖，厚度為18.31 m，直接頂為褐灰色粉砂巖，厚度為3.30 m，直接底為褐灰色粉砂巖，厚度為4.86 m，老底為灰色粗砂巖，厚度為8.80 m。 工作面走向長(zhǎng)2 055 m，傾斜長(zhǎng)134 m。 6102工作面的軌道巷道和輔運(yùn)巷道沿煤層底板布置，巷道斷面尺寸為5.0 m×3.6 m，計(jì)劃留設(shè)的護(hù)巷煤柱寬度為18 m。6102工作面布置圖如圖1所示，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 工作面布置圖Fig.1 Layout of working face

表1 6102工作面巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock massin 6102 working face

2 護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性分析

綜放工作面的護(hù)巷煤柱主要受2個(gè)相鄰工作面的采動(dòng)影響，護(hù)巷煤柱在留設(shè)初期主要受上一個(gè)采空區(qū)形成的側(cè)向應(yīng)力影響(圖2)。上區(qū)段工作面的回采使得實(shí)體煤柱側(cè)產(chǎn)生塑性區(qū)，在上區(qū)段采空區(qū)穩(wěn)定后，由于布置沿空巷道而對(duì)圍巖造成再次破壞，使得煤柱邊緣側(cè)的塑性區(qū)范圍再一次擴(kuò)大，煤柱彈塑性區(qū)的分布形式為兩側(cè)塑性區(qū)，中間彈性區(qū)。

圖2 煤柱彈塑性區(qū)及應(yīng)力分布圖Fig.2 Elastic plastic zone and stress distributiondiagram of coal pillar

煤柱保持穩(wěn)定的寬度計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

B=x0+x2+x1

(1)

式中：B為煤柱寬度，m；x2為煤柱彈性核寬度，m；x0為極限平衡寬度，m；x1為采準(zhǔn)巷道在煤柱側(cè)形成的塑性區(qū)寬度，m。

(2)

式中：K為應(yīng)力集中系數(shù)，K=2.4；φ為煤層內(nèi)摩擦角，φ=29°；A為測(cè)壓系數(shù)，A=0.29；C為內(nèi)聚力，C=1.2 MPa；Px為支護(hù)強(qiáng)度，Px=0；M為煤層厚度，M=12.9 m；H為埋深，H=150 m。

根據(jù)上述公式計(jì)算可以得出x0=5.54 m。取煤柱兩側(cè)塑性區(qū)寬度x0=x1，x2按照工作面端頭采高取值為3.86 m，理論計(jì)算煤柱合理寬度B為14.68 m。

3 合理煤柱寬度數(shù)值模擬

3.1 模擬方案

基于串草圪旦煤礦的地質(zhì)條件，合并巖性相近的巖層，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件針對(duì)串草圪旦煤礦的6102工作面和6103工作面進(jìn)行模擬，模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=400 m×150 m×70 m，如圖3所示。模型四周邊界施加水平約束力，下部邊界固定，采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，上邊界施加載荷為2.11 MPa用以模擬上覆巖重。依據(jù)式(1)和式(2)的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)6102工作面的護(hù)巷煤柱寬度分別為13 m、14 m、15 m和18 m。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2 上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力及塑性區(qū)分布規(guī)律

3.2.1 上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力分布

6103工作面回采完畢后，其側(cè)向應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4可知，6103工作面采空區(qū)的側(cè)向應(yīng)力分布為高位應(yīng)力場(chǎng)、低位應(yīng)力場(chǎng)形式，低位應(yīng)力場(chǎng)分布在6103工作面采空區(qū)附近，而高位應(yīng)力場(chǎng)分布在煤層厚度的中上部位置。低位應(yīng)力場(chǎng)的峰值應(yīng)力為7.68 MPa，距6103工作面采空區(qū)幫部2.0 m；高位應(yīng)力場(chǎng)的峰值應(yīng)力為7.65 MPa，距6103工作面采空區(qū)幫部4.8 m。

圖4 6103工作面采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力分布Fig.4 Lateral stress distribution in goafof 6103 working face

3.2.2 上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向塑性區(qū)分布

6103工作面回采后，其側(cè)向塑性區(qū)分布如圖5所示。由圖5可知，在6103采空區(qū)的側(cè)向?qū)嶓w區(qū)域，塑性區(qū)距采空區(qū)側(cè)向煤壁的距離為2～5 m。

圖5 6103工作面采空區(qū)側(cè)向煤壁塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of lateral coal wall plastic zonein goaf of 6103 working face

3.3 接續(xù)工作面巷道掘巷期間圍巖穩(wěn)定性規(guī)律

3.3.1 巷道掘進(jìn)期間圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

輔運(yùn)巷道掘進(jìn)期間，護(hù)巷煤柱寬度分別為13 m、14 m、15 m和18 m時(shí)，6102工作面的煤柱應(yīng)力分布如圖6所示。由圖6可知，隨著護(hù)巷煤柱寬度的增大，6103工作面采空區(qū)側(cè)的低位應(yīng)力場(chǎng)的峰值應(yīng)力由7.80 MPa降至7.58 MPa，應(yīng)力峰值位置保持在距6103工作面采空區(qū)側(cè)向煤壁2.0 m左右的位置；6102工作面輔運(yùn)巷道側(cè)的峰值應(yīng)力由7.63 MPa降至6.84 MPa，應(yīng)力峰值位置由距6102工作面輔運(yùn)巷道幫部2.0 m左右的位置降至1.5 m左右的位置。

圖6 不同寬度護(hù)巷煤柱應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of coal pillars in roadway protection with different widths

不同煤柱寬度條件下，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖7所示。由圖7可知，隨著護(hù)巷煤柱寬度的增大，6103工作面采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力分布基本無(wú)明顯變化，而6102工作面輔運(yùn)巷道側(cè)的應(yīng)力分布呈降低趨勢(shì)。護(hù)巷煤柱寬度為13 m時(shí)，煤柱中部應(yīng)力發(fā)生疊加，在高應(yīng)力作用下，煤柱穩(wěn)定性較差。隨著護(hù)巷煤柱寬度大于13 m，煤柱中部應(yīng)力疊加現(xiàn)象為降低趨勢(shì)，可以增強(qiáng)護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性，說(shuō)明護(hù)巷煤柱內(nèi)的彈性核寬度增大。

圖7 不同護(hù)巷煤柱寬度內(nèi)垂直應(yīng)力分布規(guī)律Fig.7 Vertical stress distribution law of coal pillarsin roadway protection with different widths

3.3.2 巷道掘進(jìn)期間圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

留設(shè)護(hù)巷煤柱的寬度分別為13 m、14 m、15 m、和18 m時(shí)，護(hù)巷煤柱內(nèi)的彈性區(qū)和塑性區(qū)分布如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)煤柱寬度分別為13 m、14 m、15 m和18 m時(shí)，煤柱兩側(cè)的平均塑性區(qū)寬度之和分別為7.5 m、7.0 m、6.5 m和6.5 m，煤柱的彈性核寬度分別為5.5 m、7.0 m、8.5 m和11.5 m。當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度大于15 m時(shí)，護(hù)巷煤柱寬度的增大對(duì)于煤柱兩側(cè)塑性區(qū)的寬度并沒(méi)有影響，此時(shí)煤柱寬度的增大只是增大了彈性核的寬度，雖然有利于護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性，但卻增大了煤炭資源的損失。

圖8 不同護(hù)巷煤柱寬度的塑性區(qū)分布Fig.8 Plastic zone distribution of coal pillars in roadway protection with different widths

3.4 工作面回采期間的圍巖穩(wěn)定性

3.4.1 工作面回采期間的應(yīng)力分布規(guī)律

在6102工作面回采過(guò)程中，受到工作面采動(dòng)影響，護(hù)巷煤柱受力狀態(tài)會(huì)發(fā)生明顯變化。在不同寬度的護(hù)巷煤柱條件下，6102工作面回采過(guò)程中，回采工作面前方0 m處的護(hù)巷煤柱的應(yīng)力分布特征如圖9所示。由圖9可知，隨著護(hù)巷煤柱寬度的增大，在回采工作面前方0 m處，6103工作面采空區(qū)側(cè)的峰值應(yīng)力由8.9 MPa降至8.6 MPa，應(yīng)力峰值位置保持在距6103工作面采空區(qū)側(cè)向煤壁1.5 m左右的位置；6102工作面?zhèn)鹊姆逯祽?yīng)力由10.10 MPa降至8.68 MPa，應(yīng)力峰值位置由距6102工作面輔運(yùn)巷道幫部2.5 m左右的位置降至2.0 m左右的位置。

圖9 6102工作面回采前方0 m處應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram at 0 m in front of mining in 6102 working face

在回采期間，護(hù)巷煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖10所示。由圖10可知，隨著護(hù)巷煤柱寬度的增大，護(hù)巷煤柱中部的應(yīng)力集中程度呈降低趨勢(shì)；在上區(qū)段6103工作面采空區(qū)側(cè)，護(hù)巷煤柱的應(yīng)力分布無(wú)明顯變化；在接續(xù)工作面?zhèn)?，護(hù)巷煤柱的應(yīng)力分布呈下降趨勢(shì)；接續(xù)工作面?zhèn)鹊姆逯祽?yīng)力大于上區(qū)段6103工作面采空區(qū)側(cè)的峰值應(yīng)力。

圖10 回采工作面附近護(hù)巷煤柱應(yīng)力分布Fig.10 Stress distribution of section coal pillarsin roadway protection near working face

3.4.2 工作面回采期間的塑性區(qū)分布規(guī)律

護(hù)巷煤柱受6102工作面的采動(dòng)影響，因此分析6102工作面回采期間對(duì)護(hù)巷煤柱的塑性區(qū)分布的影響。圖11為6102工作面回采期間，工作面附近不同寬度的護(hù)巷煤柱的塑性區(qū)分布圖。由圖11可知，接續(xù)工作面回采期間，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為13 m時(shí)，回采工作面處的護(hù)巷煤柱內(nèi)塑性區(qū)已貫通；當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度分別為14 m、15 m、18 m時(shí)，護(hù)巷煤柱中的彈性核寬度分別為2.5 m、4.5 m和10.5 m。

圖11 工作面附近不同護(hù)巷煤柱寬度的塑性區(qū)分布Fig.11 Plastic zones distribution of coal pillars in roadway protection with different widths near the working face

3.5 護(hù)巷煤柱合理寬度的確定

理論和實(shí)踐結(jié)果表明，護(hù)巷煤柱合理寬度確定應(yīng)滿(mǎn)足以下原則：①留設(shè)煤柱的位置應(yīng)盡可能處在應(yīng)力較低的區(qū)域，避免高應(yīng)力破壞煤柱的完整性；②留設(shè)的煤柱應(yīng)能承受多次采動(dòng)影響，避免發(fā)生采空區(qū)漏風(fēng)自然發(fā)火、瓦斯爆炸等次生災(zāi)害；③應(yīng)盡可能減少煤炭資源浪費(fèi)，提高煤炭資源采出率。

綜上所述，串草圪旦煤礦計(jì)劃留設(shè)的護(hù)巷煤柱寬度為18 m時(shí)，護(hù)巷煤柱穩(wěn)定，但增加了煤炭的損失；留設(shè)護(hù)巷煤柱寬度為13 m時(shí)，護(hù)巷煤柱寬度過(guò)短，在接續(xù)工作面采動(dòng)影響下，護(hù)巷煤柱內(nèi)的塑性區(qū)貫通；留設(shè)的護(hù)巷煤柱寬度在14～18 m之間時(shí)，回采工作面附近的護(hù)巷煤柱內(nèi)存在彈性區(qū)，因此合理的留護(hù)巷煤柱寬度為14 m。

4 巷道圍巖控制技術(shù)

4.1 巷道支護(hù)參數(shù)

輔運(yùn)巷道的頂板采用?22 mm×2 200 mm的左旋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間距×排距為1 100 mm×1 000 mm，每排5根；頂板選用長(zhǎng)度為8.3 m，直徑為17.8 mm的7股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)錨索，間距、排距為1 800 mm×2 000 mm，每排兩根；巷道兩幫采用?20 mm×2 000 mm的右旋等強(qiáng)金屬錨桿，兩幫每排各3根，間距、排距為1 200 mm×1 000 mm，巷道支護(hù)布置如圖12所示。

圖12 支護(hù)參數(shù)斷面圖Fig.12 Cross section of support parameters

4.2 巷道支護(hù)控制實(shí)踐

6102工作面回采期間，監(jiān)測(cè)工作面前方的輔運(yùn)巷道的變形量。當(dāng)工作面自開(kāi)切眼推進(jìn)150 m時(shí)，對(duì)工作面前方的輔運(yùn)巷道表面變形進(jìn)行測(cè)量。巷道的測(cè)量范圍為自工作面至前方100 m處，巷道每隔5 m進(jìn)行一次變形測(cè)量。輔運(yùn)巷道的圍巖變形量如圖13所示。由圖13可知，在工作面的采動(dòng)影響下，附近的6102工作面輔運(yùn)巷道的頂板下沉量為68.8 mm，底板鼓起量為35.4 mm，煤柱側(cè)的移近量為88.6 mm，工作面回采側(cè)的移近量為56.4 mm。工作面的超前影響范圍在40 m左右。因此，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，6102輔運(yùn)巷道留設(shè)14 m煤柱及采取的支護(hù)技術(shù)是合理有效的。

圖13 工作面前100 m范圍運(yùn)輸巷道圍巖變形量Fig.13 Surrounding rock deformation of transportationroadway within 100 m range in front of working face

5 結(jié) 論

1) 掘巷期間，隨著護(hù)巷煤柱寬度的增大，6103工作面采空區(qū)側(cè)的應(yīng)力分布基本無(wú)明顯變化，而6102工作面輔運(yùn)巷道側(cè)的應(yīng)力分布為降低趨勢(shì)，煤柱中部應(yīng)力疊加現(xiàn)象為降低趨勢(shì)，可以保持護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性。

2) 掘巷期間，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度大于15 m時(shí)，護(hù)巷煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)范圍基本無(wú)明顯變化，護(hù)巷煤柱內(nèi)的彈性區(qū)寬度隨著護(hù)巷煤柱寬度的增大而增大。

3) 回采期間，留設(shè)護(hù)巷煤柱寬度為13 m時(shí)，護(hù)巷煤柱寬度過(guò)短，在接續(xù)工作面采動(dòng)影響下，護(hù)巷煤柱內(nèi)的塑性區(qū)貫通；留設(shè)的護(hù)巷煤柱寬度在14～18 m之間時(shí)，回采工作面附近的護(hù)巷煤柱存在彈性區(qū)，綜合考慮，合理的護(hù)巷區(qū)段煤柱的寬度為14 m。

4) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明巷道圍巖得到了很好的控制。