淺埋煤層沿空掘巷窄煤柱合理寬度探討

孟 瑞

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

淺埋深、薄基巖、上覆厚松散風(fēng)積沙是神東各礦當(dāng)前開(kāi)采煤層最為典型的賦存特征[1]。為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效目的，神東各礦在淺埋煤層條件下掘進(jìn)大斷面、超長(zhǎng)距離回采巷道。然而，大斷面、超長(zhǎng)距離回采巷道需面臨巷道維護(hù)成本高，維護(hù)距離長(zhǎng)，且雙巷掘進(jìn)留設(shè)大煤柱造成煤炭資源浪費(fèi)等問(wèn)題。但隨著支護(hù)理論和技術(shù)的快速發(fā)展，窄煤柱沿空掘巷能夠有效地解決上述問(wèn)題。

合理窄煤柱寬度是留巷成功的關(guān)鍵，煤柱尺寸過(guò)大，煤炭資源損失嚴(yán)重，且煤柱處于側(cè)向支承壓力帶影響范圍內(nèi)。煤柱尺寸窄小，煤柱的穩(wěn)定性差，承載能力低，且巷道的維護(hù)難度也增加。以神東烏蘭木倫煤礦1-2煤三盤區(qū)12306工作面的回采巷道為背景，運(yùn)用理論計(jì)算和數(shù)值模擬等方法，科學(xué)、合理地確定窄煤柱尺寸，在工程實(shí)際和安全生產(chǎn)上具有重大的意義。

1 巷道概況

巷道位于神東烏蘭木倫煤礦1-2煤三盤區(qū)，為12306工作面的回采巷道。1-2煤層平均厚度為2.75 m，煤層頂?shù)装寰羌?xì)粒砂巖且賦存穩(wěn)定?；夭善较飻嗝鏋榫匦?，巷道寬高為5 m和3 m，巷道沿煤層底板掘進(jìn)。

2 煤柱寬度理論計(jì)算

合理煤柱寬度計(jì)算如圖1所示。

圖1 煤柱寬度計(jì)算

式中：X為小煤柱寬度，m；X1為屈服區(qū)寬度，m；X2為考慮安全系數(shù)時(shí)的該區(qū)寬度，m；X2=0.15～0.35（X1+X3）；X3為錨桿有效長(zhǎng)度，m。

式中：M為上區(qū)段平巷高度；λ為側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/（1-μ）；σy1為 煤 柱 的 極 限 強(qiáng) 度，MPa；φ0為 摩 擦角，°；γ0為巖層平均體積力，MPa；C0為黏聚力，MPa；Px為側(cè)向約束力；μ為泊松比；α為煤層的傾角，°。

其中，工作面模擬參數(shù)σy1=7.541 MPa，M=3 m，α=3，μ=0.25，λ=0.33，φ0=21°，C0=2 MPa，γ0=0.025 MPa，Px=0。代入式中X1=0.700 m。

考慮在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中開(kāi)采擾動(dòng)的影響，導(dǎo)致煤柱屈服區(qū)向深部移動(dòng)，塑性區(qū)有所擴(kuò)展[2]。擾動(dòng)系數(shù)取為1.8,即煤柱塑性區(qū)的寬度是1.26 m。X3=1.40 m，得到合理煤柱寬度X=3.0～3.6 m。

3 數(shù)值模型建立

數(shù)值模擬研究以烏蘭木倫煤礦1-2煤三盤區(qū)12306工作面為背景，現(xiàn)場(chǎng)煤層賦存穩(wěn)，層狀結(jié)構(gòu)，有參差狀斷口。煤層直接頂和底板分別為細(xì)砂巖和細(xì)粒砂巖，普氏系數(shù)為2.4～4.3。

建立數(shù)值模型尺寸為300 m×135 m，采用摩爾—庫(kù)倫塑性屈服準(zhǔn)則，巷道埋深為124 m，模擬煤層厚度為3 m，直接頂厚度為4 m，基本頂厚度為5 m。模型左右及下邊界采用位移法固定，上邊界施加垂直載荷。巷道幾何尺寸寬高為5 m×3 m，掘巷位置分別距采空區(qū)邊界留設(shè)的煤柱寬度分別為2 m、3 m、4 m、5 m、8 m、10 m。

計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 沿空掘巷計(jì)算模型

各巖體參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖體主要力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值模擬分析

4.1 掘巷期間煤柱內(nèi)位移場(chǎng)

巷道掘進(jìn)期間煤柱內(nèi)水平位移變化如圖3所示。在掘巷期間，巷道內(nèi)圍巖應(yīng)力重新分布[3]，與上區(qū)段回采工作面?zhèn)认蛑С袎毫ΟB加使煤柱變形。隨著煤柱寬度的逐漸增大煤柱位移逐漸增大，當(dāng)煤柱達(dá)到臨界寬度時(shí)，位移由大變小。當(dāng)煤柱寬度一定時(shí)，煤柱巷道側(cè)位移比采空區(qū)側(cè)位移大。

圖3 煤柱內(nèi)水平位移分布

煤柱向巷道內(nèi)的水平位移如圖4所示。隨著煤柱寬度的逐漸增加，位移先增大后減小。當(dāng)煤柱為2～3 m時(shí)，煤柱向巷道位移較小。當(dāng)煤柱為4 m時(shí)，位移達(dá)到最大值，為247 mm。煤柱大于4 m時(shí)，位移緩慢減小，但均大于2～3 m時(shí)位移。

圖4 煤柱表面向巷道內(nèi)位移分布

4.2 巷道掘巷期間兩側(cè)應(yīng)力

通過(guò)對(duì)6個(gè)模型的計(jì)算得出留設(shè)2 m，3 m，4 m，5 m，8 m，10 m的煤柱時(shí)掘巷期間巷道兩側(cè)的應(yīng)力。煤柱寬度不同，實(shí)體煤和煤柱內(nèi)部的應(yīng)力不斷變化。煤柱側(cè)，當(dāng)寬度為2～3 m時(shí)，垂直應(yīng)力緩慢增大；煤柱寬度為4 m時(shí)，垂直應(yīng)力急劇變大，數(shù)值為3.826 MPa；煤柱寬度大于4 m時(shí)，煤柱垂直應(yīng)力急劇減小且趨于平穩(wěn)。巷道實(shí)體煤一側(cè)，垂直應(yīng)力分布在煤柱寬度為2～5 m時(shí)緩慢增加，煤柱8 m時(shí)應(yīng)力值最大，然后急劇減小。不同的煤柱寬度與實(shí)體煤和煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力值如圖5所示。

圖5 巷道兩側(cè)垂直應(yīng)力分布

4.3 巷道圍巖位移與煤柱寬度

煤體邊緣在高應(yīng)力的作用下經(jīng)常產(chǎn)生不同程度的變形和破壞[4]。在掘巷期間，不同煤柱寬度下巷道圍巖變形、巷道頂板及兩幫位移曲線如圖6所示?？梢钥闯觯S著煤柱寬度的逐漸增加頂板下沉量減小，煤柱寬度為2 m時(shí)位移最大，為234 mm。隨著煤柱寬度的增加，巷道兩幫的移近量，先增大后減小，煤柱為4 m時(shí)達(dá)到最大值248 mm。

根據(jù)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析，選擇窄煤柱寬度為2～3 m為最佳尺寸。

圖6 巷道頂板及兩幫的位移分布

5 工程應(yīng)用

5.1 巷道的支護(hù)方案

結(jié)合以上研究，12306工作面的回采巷道選用高預(yù)應(yīng)力錨桿和錨索進(jìn)行支護(hù)。錨桿為500#左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度和直徑分別為2.4 m和20 mm，錨桿間排距為1 000 mm×800 mm。錨桿配鋼筋托梁，預(yù)緊力不低于40 kN。錨索體為1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直徑為21.6 mm，長(zhǎng)度為6.3 m，頂板錨索排距設(shè)為2 000 mm，每排布置兩根，錨索張拉預(yù)緊力不低于120 kN。具體配置及支護(hù)參數(shù)如圖7所示。

5.2 支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

12306工作面回采巷道采用如圖7所示的方案支護(hù)，通過(guò)在回采巷道內(nèi)分段布置多個(gè)位移測(cè)點(diǎn)來(lái)分別監(jiān)測(cè)巷道掘進(jìn)期間和工作面回采期間圍巖的變形情況，監(jiān)測(cè)到具體數(shù)據(jù)如圖8所示的曲線，此位移測(cè)點(diǎn)在距開(kāi)切眼500 m的位置。

圖7 窄煤柱試驗(yàn)巷道錨桿（索）布置及支護(hù)設(shè)計(jì)

圖8 圍巖表面位移監(jiān)測(cè)曲線

由圖8可知，回采巷道在掘進(jìn)后30 d內(nèi)圍巖位移量在增加，在30 d后，位移量維持在100 mm左右，趨于穩(wěn)定。工作面在回采時(shí)，距離工作面30～40 m的地方，圍巖的位移量開(kāi)始了顯著增加，到最后頂?shù)装迨亲冃瘟孔钚〉?，其次是工作面?zhèn)葞停褐鶄?cè)幫是變形量最大的。由此看來(lái)，圍巖雖有一定變形，但都在允許范圍之內(nèi)，故巷道的支護(hù)效果較好。

6 結(jié)論

1）沿空巷道的小變形量和煤柱穩(wěn)定的關(guān)鍵就在于留設(shè)合理的窄煤柱。針對(duì)神東烏蘭木倫煤礦1-2煤三盤區(qū)12306工作面的回采巷道，通過(guò)理論計(jì)算得出合理的窄煤柱寬度為3.0～3.6 m、通過(guò)數(shù)值模擬得出窄煤柱寬度在2～3 m范圍內(nèi)時(shí)，巷道的變形量較小，用這兩種方法來(lái)確定的窄煤柱的寬度是一致的；該礦最終確定窄煤柱寬度為3 m。

2）通過(guò)該礦12306工作面回采巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，從巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線來(lái)看，當(dāng)窄煤柱的合理寬度為3 m時(shí)，巷道支護(hù)效果良好；從而保證了巷道掘進(jìn)和回采期間回采巷道的圍巖的穩(wěn)定性與安全性。