特厚煤層舊采區(qū)保護(hù)煤柱留設(shè)研究

劉興國

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

為有效隔絕采空區(qū)有害氣體外溢，避免采空區(qū)四周側(cè)向支承壓力對(duì)新的回采巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，護(hù)巷煤柱作為一種傳統(tǒng)而有效的措施被廣泛使用于煤礦生產(chǎn)實(shí)際中[1]。眾多開采實(shí)踐與研究成果表明，增大護(hù)巷煤柱寬度并不能有效防護(hù)空區(qū)側(cè)向支承壓力對(duì)巷道的破壞，反而極大浪費(fèi)煤炭資源。為提高煤炭資源回收率、節(jié)約煤炭資源，科學(xué)合理確定護(hù)巷煤柱寬度成為礦井安全、高效生產(chǎn)的必要課題[2]。我國煤炭科技工作者針對(duì)這一問題，進(jìn)行了大量研究并得出眾多具有積極意義的成果[3-5]。

韓家洼礦22401 工作面為特厚煤層工作面，在工作面回采范圍內(nèi)具有較多舊采空區(qū)，為給出適用于韓家洼礦的采空區(qū)護(hù)巷煤柱寬度，綜合現(xiàn)有研究成果，采用了理論計(jì)算、工程類比與數(shù)值模擬方法，綜合確定了22401 特厚煤層綜放工作面護(hù)巷煤柱寬度，兼顧煤炭資源高回收率與回采巷道安全應(yīng)用。

1 工程背景

韓家洼礦為資源整合礦井，井田22 號(hào)煤層大量分布小窯破壞區(qū)。22401 工作面位于井田西北部，主采22 號(hào)煤層，厚度9.2～14.8 m，平均厚度11.6 m。22 煤層有4 層砂質(zhì)泥巖夾矸，總厚度1.99 m，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，煤層傾角4°～11°，平均傾角6°。工作面采用綜放采煤法，割煤高度為3.0 m，放頂煤高度為8.6 m。工作面直接頂為2.4 m 厚的砂質(zhì)泥巖，基本頂為13.4 m 厚的細(xì)砂巖，如圖1（a）。地面標(biāo)高1550～1580 m，井下標(biāo)高1263～1290 m，平均埋深210 m。

依據(jù)224 采區(qū)設(shè)計(jì)，22401 工作面停采線前方0～500 m 存在有資源整合前的舊采空區(qū)，采區(qū)內(nèi)舊空區(qū)長度為45 m，內(nèi)部共三個(gè)長度為140 m 綜放面、兩個(gè)寬度為40 m 的區(qū)段煤柱，如圖1（b）。為避免舊空區(qū)影響22401 工作面回風(fēng)順槽圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)保證煤炭資源回收率，需對(duì)22401 回風(fēng)順槽護(hù)巷煤柱寬度進(jìn)行研究。

圖1 22401 工作面工程地質(zhì)背景圖

2 理論分析護(hù)巷煤柱寬度

結(jié)合謝廣祥教授構(gòu)建的煤柱彈塑性極限平衡受力模型，可得出在靜力學(xué)條件下煤柱采空區(qū)側(cè)與巷道側(cè)塑性區(qū)與破壞區(qū)寬度之和。結(jié)合煤柱彈性核理論可知，煤柱塑性區(qū)寬度應(yīng)當(dāng)小于煤柱整體寬度的66%，否則煤柱極易突變失穩(wěn)，則可確定穩(wěn)定的煤柱最小寬度X[6]。

式中：X為煤柱最小穩(wěn)定寬度，m；x1為回采巷道側(cè)塑性區(qū)寬度，m；x2為采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度，m。

回采巷道側(cè)塑性區(qū)寬度：

式中：M為巷道高度，取回風(fēng)順槽掘進(jìn)高度3.2 m；M1為煤柱高度，取煤層最大厚度14.8 m；β為側(cè)壓系數(shù)，韓家洼礦地應(yīng)力實(shí)測為0.43；φ0為煤柱內(nèi)摩擦角，巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測得為25.69°；σymax為煤體抗壓強(qiáng)度，巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測得為21.17 MPa；α為煤層傾角，工作面最大傾角11°；C0為煤體內(nèi)聚力，巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測得為1.25 MPa；γ0為煤柱平均容重，巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測得為1380 kN/m3；Px為煤柱所受側(cè)向約束，回風(fēng)順槽側(cè)煤柱所受側(cè)向約束為0.2 MPa，舊空區(qū)側(cè)煤柱所受側(cè)向約束0 MPa。

帶入22401 工作面相關(guān)地質(zhì)工程參數(shù)可知，回風(fēng)順槽側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度為2.45 m，舊空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)6.23 m，則可得穩(wěn)定煤柱的最小寬度為13.15 m?？紤]一定富裕系數(shù)與安全余量，暫定安全護(hù)巷煤柱寬度為18 m。

3 數(shù)值模擬計(jì)算護(hù)巷煤柱寬度

為進(jìn)一步明確22401 工作面回采引發(fā)的采動(dòng)應(yīng)力對(duì)護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性的影響，驗(yàn)證理論計(jì)算護(hù)巷煤柱寬度計(jì)算合理性，構(gòu)建三維FLAC3D等比例數(shù)值計(jì)算模型，如圖2，明晰護(hù)巷煤柱內(nèi)部塑性區(qū)分布特征與應(yīng)力演化規(guī)律。模型中以x 軸正方向?yàn)?2401 工作面推進(jìn)方向，以y 軸負(fù)方向?yàn)榕f采區(qū)推進(jìn)方向，模擬過程為待模型初始平衡計(jì)算完成后，開挖舊采區(qū)工作面。由于舊采區(qū)形成年代久遠(yuǎn)、圍巖運(yùn)移歷程較長、覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定形成，故模型應(yīng)當(dāng)計(jì)算收斂；明確舊采區(qū)對(duì)煤柱內(nèi)部應(yīng)力演化塑性區(qū)發(fā)育影響機(jī)制后，初步確定合理護(hù)巷煤柱寬度，嚴(yán)格按照現(xiàn)場施工流程開挖回風(fēng)順槽，探究巷道掘進(jìn)對(duì)煤柱穩(wěn)定性的影響；開挖22401 工作面，研究工作面推進(jìn)引起的超前支承壓力對(duì)煤柱內(nèi)部塑性區(qū)擴(kuò)展的影響規(guī)律，最終確定合理的回風(fēng)順槽護(hù)巷煤柱寬度。

圖2 FLAC3D 數(shù)值計(jì)算模型

由圖3（a）、（b）可知，當(dāng)舊采區(qū)開挖后，由舊采區(qū)開挖擾動(dòng)引起煤體內(nèi)部垂直應(yīng)力重新分布與集中，最大值為18.82 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.59，峰值距舊采區(qū)煤壁7.0 m；煤體塑性區(qū)分布呈現(xiàn)“√”狀分布且集中分布于煤體上部，塑性區(qū)最大深度為7.5 m。由圖3 （c）、（d）可知，22401 工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)完成后，受順槽掘進(jìn)擾動(dòng)影響煤柱內(nèi)部應(yīng)力第二次重新分布，在煤柱兩側(cè)形成兩個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，煤柱舊采區(qū)側(cè)應(yīng)力集中最大值為19.63 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.74，應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)向煤柱內(nèi)部進(jìn)一步轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，峰值位置距舊采區(qū)煤壁8.0 m，塑性區(qū)向煤柱內(nèi)部發(fā)育并集中于煤柱中上部，塑性區(qū)分布范圍明顯增大，最大深度為8.5 m；同時(shí)煤柱順槽側(cè)應(yīng)力峰值距巷幫2.0 m，峰值為16 MPa，塑性區(qū)最大深度出現(xiàn)在巷幫中上部為2.0 m。在22401 工作面推進(jìn)時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)第三次重新分布。由圖3（e）、（f）可知，煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中范圍進(jìn)一步增加，且兩側(cè)應(yīng)力集中范圍相互結(jié)合，應(yīng)力峰值為20.99 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.74，塑性區(qū)分布范圍進(jìn)一步增加，且煤柱兩側(cè)總塑性區(qū)寬度為11.5 m，占煤柱總寬度18 m 的63.9%，小于煤柱失穩(wěn)閾值66%。

圖3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析圖

4 結(jié)論

結(jié)合22401 特厚煤層綜放工作面臨舊采空區(qū)回采巷道護(hù)巷煤柱寬度設(shè)計(jì)問題，耦合煤柱彈塑性極限平衡受力與煤柱彈性核理論，得出煤柱巷道側(cè)與空區(qū)側(cè)煤柱寬度為2.74 m、6.23 m，初步確定臨空護(hù)巷煤柱合理寬度應(yīng)當(dāng)為18 m。構(gòu)建了FLAC3D三維數(shù)值計(jì)算模型，得出煤柱內(nèi)部應(yīng)力演化的三個(gè)階段，并分析了應(yīng)力演化規(guī)律與塑性區(qū)分布特征，給出了動(dòng)力學(xué)條件下煤柱寬度為18 m 時(shí)，塑性區(qū)寬度為11.5 m，小于煤柱失穩(wěn)的最大容許塑性區(qū)寬度。