綜放工作面區(qū)段煤柱寬度對底抽巷穩(wěn)定性研究*

張鵬鵬

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院集團有限公司，山西 太原 030000）

大平煤業(yè)為高瓦斯礦井，為了瓦斯抽采方便，在3115 工作面和3117 工作面區(qū)段煤柱下方布置底抽巷對兩個工作面瓦斯進行抽采。 在大平煤業(yè)埋深較大、頂板硬度適中的地質(zhì)條件下，巷道圍巖穩(wěn)定性、 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等具有顯著的特殊性。 而目前在放頂煤工作面區(qū)段煤柱留設(shè)、覆巖結(jié)構(gòu)特征及巷道支護理論還不夠完善，工程應(yīng)用上更多的依賴于經(jīng)驗判斷，尤其是區(qū)段煤柱下方布置底抽巷后對區(qū)段煤柱圍巖穩(wěn)定性的影響也未有相關(guān)研究[1-3]。 因此，針對大平煤業(yè)具體地質(zhì)條件，在布置底抽巷后，確定合理的區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸及底抽巷支護技術(shù)參數(shù)是大坪煤業(yè)急需解決的問題[4-5]。

1 工程背景

大坪煤業(yè)主采3#煤層，3#煤層厚度為5.09～7.20 m，平均厚度為6.19 m，屬穩(wěn)定可采的厚煤層，直接頂板為薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，厚度為1.77 m，老頂為細粒砂巖，厚度為10.25 m。頂板泥巖為較軟巖，粉砂巖、細砂巖為較硬巖，圍巖類別屬中等穩(wěn)定巖層。 礦井在開采過程中未發(fā)現(xiàn)明顯的軟弱層，穩(wěn)定性相對較好。

大平煤業(yè)現(xiàn)開采的3#煤層工作面間留設(shè)煤柱寬度為20 m，瓦斯底抽巷要服務(wù)于3115 工作面、3117 工作面（巷道位置關(guān)系布置如圖1 所示）。 為保證兩個工作面的順利開采，實現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效目標，以大平煤業(yè)3# 煤層綜放開采煤柱留設(shè)及支護技術(shù)研究為課題，對3115 工作面與3117 工作面之間的煤柱的穩(wěn)定性、 煤柱留設(shè)寬度和底抽巷道支護技術(shù)進行研究。

圖1 巷道位置關(guān)系布置平面

2 區(qū)段煤柱穩(wěn)定性分析及理論寬度計算

根據(jù)區(qū)段煤柱應(yīng)力分布可得知，區(qū)段煤柱的寬度L主要取決于煤柱兩側(cè)塑性區(qū)寬度L0（m）和中部彈性區(qū)臨界寬度Lt（m），故煤柱的留設(shè)寬度應(yīng)為：

在巷道賦存深度一定，不考慮支護影響且不計入煤體殘余部分的條件下，區(qū)段煤柱的塑性區(qū)寬度范圍L0可統(tǒng)一表示為：

式中：L1為煤柱下側(cè)的塑性區(qū)范圍，m；L2為煤柱上側(cè)的塑性區(qū)范圍，m。

如圖2 所示，對于中等穩(wěn)定性圍巖，在不考慮ABC、DEF、FGI三部分殘余煤體側(cè)向限制影響的條件下，煤柱上下兩側(cè)塑性區(qū)寬度均可采用下式計算：

圖2 區(qū)段煤柱寬度計算

此時，將公式（3）代入公式（2）中，同樣得到中等穩(wěn)定性圍巖條件下區(qū)段煤柱的塑性區(qū)寬度為：

式（3）、（4） 中：M為煤層厚度，m；α為煤體的破斷角，°；φ為內(nèi)摩擦角，°。

大坪煤業(yè)3#煤層屬于中等穩(wěn)定性巖層，將相關(guān)計算參數(shù)代入上述公式，通過計算可求得煤柱留設(shè)寬度最小值為18.15 m，因此在大平煤業(yè)現(xiàn)工作面間留設(shè)的20 m區(qū)段煤柱寬度可滿足正常的使用要求。 煤柱下方布置底抽巷對煤柱穩(wěn)定性的影響需通過數(shù)值模擬進行相應(yīng)分析，以得出最合理的煤柱寬度。

3 不同區(qū)段煤柱寬度的數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

以大平煤業(yè)底抽巷工程地質(zhì)條件及井下位置建立數(shù)值計算模型，底抽巷位于3115 工作面運輸順槽和3117 工作面回風(fēng)順槽間區(qū)段煤柱正下方15 m位置。模型中以工作面傾向為X軸，3115 工作面和3117 工作面各取200 m；以工作面推進方向為Y軸，沿推進方向取200 m；豎直方向為Z軸，3#煤層頂板向上取67 m，向下取52 m，故整個模型尺寸為：625 m×200 m×119 m。 其中，3115 工作面和3117 工作面采空區(qū)通過充填彈性材料來模擬其上方頂板已垮落的矸石。 同時，為了防止邊界對模型產(chǎn)生影響，模型左右兩側(cè)邊界各留100 m的實體煤以模擬原巖應(yīng)力區(qū)。 除頂部外，模型底部及X、Y軸方向均固定位移邊界，在模型頂部邊界上施加均布載荷以模擬模型上覆巖層的重量，3#煤最大埋深按500 m 計，則在模型頂部施加12.5 MPa垂直應(yīng)力。 由于3#煤埋藏較深，需考慮煤巖體側(cè)壓的影響，本次模擬考慮側(cè)壓為1.2。 模型共有202 908 個單元，227 230 個單元節(jié)點，數(shù)值計算模型如圖3 所示。

圖3 數(shù)值計算幾何模型

3.2 兩側(cè)工作面回采時區(qū)段煤柱數(shù)值模擬分析

（1）基于塑性區(qū)范圍大小的區(qū)段煤柱合理寬度分析

兩側(cè)工作面（3115 和3117 綜放工作面）回采時，不同區(qū)段煤柱寬度模型塑性區(qū)的分布特征如圖4 所示，通過對比分析可知，3115 和3117 綜放工作面回采后，區(qū)段煤柱兩側(cè)靠近采空區(qū)方向塑性變形區(qū)域明顯擴大，尤其是兩側(cè)工作面頂?shù)装甯浇苄詤^(qū)出現(xiàn)了明顯的連通現(xiàn)象，塑性區(qū)主要以剪切破壞為主。 不同之處在于，當區(qū)段煤柱寬度為15 m時，整個區(qū)段煤柱內(nèi)部都發(fā)生了塑性變形，此時煤柱的穩(wěn)定性大大降低，已經(jīng)開始出現(xiàn)較大的變形、坍塌、失穩(wěn)狀態(tài)，兩側(cè)工作面采空區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)閉合、貫通現(xiàn)象，這必然會導(dǎo)致上覆巖層再次發(fā)生大的位移，甚至地表沉陷。 同時受工作面回采動壓影響，兩側(cè)工作面底板下方4～5 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，隨著區(qū)段煤柱的失穩(wěn)，煤柱底板下方3～4 m 范圍巖層也出現(xiàn)塑性變形。當區(qū)段煤柱寬度增加到20 m 時，整個煤柱在兩側(cè)工作面回采動壓影響下，塑性區(qū)也相對較發(fā)育，然而在煤柱的中部仍有約2～4 m 左右的彈性核存在，煤柱還是有一定的承載能力的，區(qū)段煤柱在經(jīng)過錨索鋼帶補強支護后仍保持一定的完整性。 同時在回采動壓影響下，兩側(cè)工作面底板下方4～5 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，而煤柱下方僅在靠近兩側(cè)工作面采空區(qū)側(cè)下方3～4 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，煤柱中部下方底板巖層并未出現(xiàn)塑性變形。 當區(qū)段煤柱寬度增加到25 m 時，在區(qū)段煤柱中部的彈性區(qū)域繼續(xù)增加，彈性核區(qū)域增加到6～8 m 左右，使區(qū)段煤柱能夠在采空區(qū)保持一定程度的穩(wěn)定狀態(tài)，與此同時在兩側(cè)工作面回采動壓影響下僅工作面底板下方4～5 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，對于煤柱下方而言僅靠近兩側(cè)工作面處底板下方3～4 m 范圍巖層也出現(xiàn)塑性變形，煤柱中部下方底板巖層并未出現(xiàn)塑性變形。 此后隨著煤柱寬度的增加，煤柱中部的彈性核區(qū)域不斷增加，穩(wěn)定性也更好，煤柱中部下方底板巖層并未出現(xiàn)塑性變形。 對于底抽巷而言，僅僅在掘巷后其淺部1 m范圍內(nèi)圍巖有塑性變形出現(xiàn)。 綜上所述，對于不同寬度區(qū)段煤柱而言，工作面回采導(dǎo)致的煤柱周邊的塑性區(qū)和底抽巷掘進后巷道周邊的塑性區(qū)并不會貫通，表明在不同煤柱寬度下，底抽巷和區(qū)段煤柱之間的巖層完整性較好，有利于底抽巷的維護。

由上圖4(c)～(f)可知，當煤柱寬度從25 m繼續(xù)增加到40 m 時，煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)寬度基本沒有變化，只是煤柱中央的彈性區(qū)寬度增加而已。與煤柱寬度為25 m 時相比，只是彈性區(qū)寬度增加。 煤柱寬度的增加，不再影響煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)寬度，煤柱尺寸加大僅是增加煤柱的彈性區(qū)寬度而已，對煤柱的穩(wěn)定性沒有影響。 雖然此時煤柱更有利于巷道的穩(wěn)，但卻增加了煤炭資源的損失。

圖4 不同區(qū)段煤柱寬度塑性區(qū)分布特征

（2）基于應(yīng)力分布的區(qū)段煤柱合理寬度分析

煤柱兩側(cè)工作面（3115 和3117 綜放工作面）回采時，不同區(qū)段煤柱寬度模型垂直應(yīng)力的分布特征如圖5 所示。 區(qū)段煤柱受到兩側(cè)采空區(qū)頂部覆巖載荷的影響，在區(qū)段煤柱中部產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且這種應(yīng)力集中現(xiàn)象有向區(qū)段煤柱底部延伸的趨勢，周圍圍巖應(yīng)力降低主要是由于煤巖體受到上覆載荷影響，裂隙發(fā)育、 擴展貫通，應(yīng)力得到有效釋放，此范圍內(nèi)煤巖體強度顯著降低，區(qū)段煤柱大于20 m 時，仍能夠保持一定的穩(wěn)定性，小于15 m 時，區(qū)段煤柱失穩(wěn)，采空區(qū)裂隙貫通。

圖5 不同區(qū)段煤柱寬度垂直應(yīng)力分布特征

通過對比分析可知，區(qū)段煤柱寬度在15 m時，區(qū)段煤柱中心位置出現(xiàn)局部應(yīng)力增高區(qū)，應(yīng)力分布呈現(xiàn)明顯的“中部高、兩側(cè)低”的單峰型應(yīng)力狀態(tài)，煤柱中部應(yīng)力最高為42 MPa，而其周圍應(yīng)力明顯降低，應(yīng)力主要在20 MPa左右，此時底抽巷正好位于應(yīng)力最高區(qū)域的下方，不利于護巷。 區(qū)段煤柱寬度增加到20 m 時，區(qū)段煤柱中部仍然為疊加的高應(yīng)力區(qū)，在煤柱邊緣呈現(xiàn)出應(yīng)力降低現(xiàn)象。 當煤柱寬度繼續(xù)增加到25 m 時，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)出由“單峰”向“馬鞍形”的轉(zhuǎn)變，煤柱內(nèi)部開始呈現(xiàn)“兩頭大、中間小”的應(yīng)力分布狀態(tài)，中部的應(yīng)力峰值減小到30 MPa左右。 隨著區(qū)段煤柱寬度繼續(xù)增加到40 m時，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)仍呈現(xiàn)“馬鞍形”，煤柱中部的應(yīng)力值減小到20 MPa。

數(shù)值計算結(jié)果表明：區(qū)段煤柱分別受左、右側(cè)工作面回采影響時，對15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m 煤柱的垂直應(yīng)力分布及彈塑性變形區(qū)寬度，從塑性區(qū)發(fā)育角度來說，煤柱寬度為25～40 m時，煤柱內(nèi)部彈性核區(qū)域較大，能滿足煤柱穩(wěn)定的要求。 對于不同寬度區(qū)段煤柱而言，在回采動壓影響下，兩側(cè)工作面底板下方4～5 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，而煤柱下方僅在靠近兩側(cè)工作面采空區(qū)側(cè)下方3～4 m 范圍巖層發(fā)生塑性變形，煤柱中部下方底板巖層并未出現(xiàn)塑性變形。 對于底抽巷而言，僅僅在掘巷后其淺部1 m 范圍內(nèi)圍巖有塑性變形出現(xiàn)；工作面回采導(dǎo)致的煤柱周邊的塑性區(qū)和底抽巷掘進后巷道周邊的塑性區(qū)并不會貫通，底抽巷和區(qū)段煤柱之間的巖層完整性較好。 從應(yīng)力角度來說，寬煤柱內(nèi)部應(yīng)力均為中部小、兩側(cè)大的“馬鞍形”分布狀態(tài)，很適合于下部進行底抽巷的布置，底抽巷所處的應(yīng)力環(huán)境相對較好。30 m以上煤柱寬度雖能滿足煤柱穩(wěn)的要求，且有利于巷道的維護，但煤炭資源損失量大，故確定煤柱留設(shè)寬度為25 m。

4 瓦斯底抽巷支護方案確定

瓦斯底抽巷全長1 760 m，采用矩形斷面，寬4.7 m×高3.3 m，斷面積為15.51 m2，采用錨網(wǎng)索支護，破碎地段采用錨索補強，具體如下：

1）頂板支護

頂板選用直徑22 mm、 長度2 500 mm 的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排5 根頂錨桿，間距1 000 mm，排距900 mm，設(shè)計錨固力120 kN，錨桿預(yù)緊力矩≥300 N·m。錨索選用直徑21.6 m、長度5 000 mm 的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，每排布置2 根，錨索垂直頂板布置，間距1 800 mm，排距1 800 mm。

2）巷幫支護

巷幫選用直徑22 mm、 長度2 000 mm 的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排兩幫各4 根錨桿，間距900 mm，排距900 mm。

瓦斯底抽巷支護如圖6 所示。

圖6 瓦斯底抽巷支護

3115 工作面和3117 工作面間煤柱寬度最終確定為25 m，瓦斯底抽巷服務(wù)于上述兩個工作面的瓦斯抽采。 工作面回采過程中對瓦斯底抽巷圍巖位移進行了觀測，最終頂板下沉量116.8 mm、 底臌量63.5 mm、 左幫位移量98.3 mm、 右?guī)臀灰屏?3.3 mm，總體來說圍巖變形量較小，基于底抽巷現(xiàn)有的錨桿（索）支護方式，可保持巷道圍巖的穩(wěn)定，能很好地滿足兩個工作面瓦斯抽采和安全使用的需要。

5 結(jié)論

當3115 工作面和3117 工作面間區(qū)段煤柱寬度為25 m 時，底抽巷所處的應(yīng)力環(huán)境相對較好，在兩側(cè)工作面回采動壓影響下，頂板下沉量116.8 mm、底臌量63.5 mm、左幫位移量98.3 mm、右?guī)臀灰屏?3.3 mm，總體來說圍巖變形量較小，基于底抽巷現(xiàn)有的錨桿（索）支護方式，可保持巷道圍巖的穩(wěn)定，能很好地滿足兩個工作面瓦斯治理和安全使用的需要。