禾草溝煤礦沿空掘巷煤柱寬度及巷道斷面設(shè)計(jì)

趙建兵

（延安市禾草溝煤業(yè)有限公司）

煤礦回采工作面之間可以通過留設(shè)小煤柱的方式，實(shí)現(xiàn)讓壓及提高回采率的目的。小煤柱的實(shí)現(xiàn)方式通常通過2種途徑實(shí)現(xiàn)，一種為沿空掘巷［1］，另一種為沿空留巷［2］。沿空留巷時(shí)，將上一個(gè)回采工作面的順槽保留，優(yōu)點(diǎn)是基本實(shí)現(xiàn)了零煤柱，提高了巷道的利用率，但缺點(diǎn)是巷道留設(shè)困難，可能存在漏風(fēng)等風(fēng)險(xiǎn)［3］。沿空掘巷時(shí)，在上一個(gè)回采工作面煤柱一定距離內(nèi)，重新掘進(jìn)一條新的巷道，作為下一個(gè)工作面的順槽使用，其優(yōu)點(diǎn)是巷道維護(hù)相對簡單，漏風(fēng)問題較小，但相對于沿空留巷而言，煤柱損失較大［4］。

以禾草溝煤礦為研究對象，通過對其沿空掘巷條件下不同煤柱尺寸進(jìn)行數(shù)值模擬和理論計(jì)算，以探索合理的煤柱留設(shè)寬度和巷道斷面形式，為礦山建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 工程概況

禾草溝煤礦位于陜西省延安市子長縣城西南18 km處，行政隸屬子長縣。井田面積為83.709 2 km2。禾草溝煤礦位于陜北黃土高原腹地，屬典型的黃土高原地貌，井田內(nèi)溝谷縱橫，地形總趨勢為西南高東北低，最高海拔為+1 519.0 m。最低海拔為+1 121.2 m，相對高差為397.8 m。

50114工作面位于50112工作面的南部，已回采完畢，50112工作面運(yùn)輸順槽計(jì)劃采用沿空掘巷方式（沿50114工作面采空區(qū)）。巷道位于5號煤層，厚度為0.51～2.95 m，平均厚度為2.19 m，屬中厚煤層。50112工作面處煤層埋深平均為299 m，工作面內(nèi)煤層傾角為0°～2°。煤層直接頂為油頁巖（厚4.1 m），灰黑色，薄層狀，水平層理，泥質(zhì)膠結(jié)，易風(fēng)化，垂直節(jié)理發(fā)育。煤層直接底為粉砂質(zhì)泥巖（厚5.2 m），薄層狀，水平層理，易風(fēng)化破碎。50112工作面運(yùn)輸順槽的位置與煤柱尺寸直接相關(guān)，煤柱尺寸設(shè)置較小時(shí)，由于頂板及圍巖的易風(fēng)化性，可能會(huì)導(dǎo)致漏風(fēng)，煤柱尺寸較大時(shí)，會(huì)造成資源浪費(fèi)。

上區(qū)段工作面采空區(qū)引起覆巖的支撐結(jié)構(gòu)對煤壁一定深度的煤巖體彈塑性狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生很大影響?；夭上锏谰蜻M(jìn)所留設(shè)的煤柱寬度決定了巷道所處圍巖的原始應(yīng)力環(huán)境和彈塑性狀態(tài)，以及巷道掘進(jìn)后支承壓力的重新分布等。因此，不同煤柱寬度下的回采巷道礦壓顯現(xiàn)特征區(qū)別很大，對巷道斷面及圍巖控制技術(shù)需求也就不同。因此，首先采用FLAC3D數(shù)值模型模擬不同煤柱寬度下圍巖位移和應(yīng)力分布情況，分析煤柱寬度對巷道變形破壞的影響；然后采用極限平衡理論對小煤柱合理寬度進(jìn)行理論計(jì)算；最后設(shè)計(jì)適宜的巷道斷面及支護(hù)參數(shù)。

2 沿空掘巷小煤柱寬度理論分析與計(jì)算

2.1 沿空掘巷影響因素分析

在采空區(qū)側(cè)留設(shè)小煤柱掘進(jìn)巷道時(shí)，對巷道圍巖應(yīng)力和變形影響最大的為關(guān)鍵巖塊。影響關(guān)鍵巖塊斷裂位置的因素很多，主要包括采高、采深、直接頂厚度、基本頂強(qiáng)度和厚度等，對小煤柱巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境影響較大。關(guān)鍵巖塊的斷裂位置大致分為4種情況：小煤柱上方、沿空巷道上方、實(shí)體煤幫上方和采空區(qū)邊緣。對于禾草溝煤礦50112工作面運(yùn)輸順槽而言，采深相對較小，加之為中厚煤層，該因素影響相對較弱。但值得注意的是，其直接頂為油頁巖，強(qiáng)度相對較高，小煤柱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮。

2.2 沿空掘巷影響階段劃分

50114工作面采空區(qū)上覆巖層垮落，可能會(huì)形成弧形三角板結(jié)構(gòu)，上支撐點(diǎn)預(yù)計(jì)位于本工作面小煤柱回采巷道附近，使得小煤柱巷道圍巖受三角板結(jié)構(gòu)影響，不同時(shí)期的影響程度與其狀態(tài)密切相關(guān)，主要影響可分為4個(gè)階段。①50114工作面回采后穩(wěn)定階段：50114工作面回采后，基本頂關(guān)鍵層沿工作面傾向形成鉸接巖塊結(jié)構(gòu)，此時(shí)關(guān)鍵巖塊的上支點(diǎn)在煤壁附近，采空區(qū)矸石逐漸被壓實(shí)，煤壁受力最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；②掘進(jìn)巷道擾動(dòng)階段：由于50112工作面運(yùn)輸順槽的開掘，巷道周邊圍巖應(yīng)力重新分布，疊加50114工作面回采影響，形成新的應(yīng)力集中；③成巷后穩(wěn)定階段：經(jīng)歷掘巷擾動(dòng)后的圍巖逐漸穩(wěn)定，覆巖結(jié)構(gòu)也趨于穩(wěn)定；④50112工作面采動(dòng)影響階段：小煤柱回采巷道的變形主要發(fā)生在本工作面的回采期間，造成本工作面回采期間巷道變形大的主要原因是受上工作面2次擾動(dòng)影響的煤柱可能處于塑性狀態(tài)，在疊加本工作面超前支承壓力影響時(shí)，很容易發(fā)生大變形。

2.3 沿空掘巷合理寬度計(jì)算

50112工作面采煤對小煤柱巷道的礦壓顯現(xiàn)有2個(gè)特征：超前支承壓力峰值與采煤面距離一般為采高的2～5倍；超前支承壓力峰值與原巖應(yīng)力的比值一般為2～5。工作面的回采引起覆巖層結(jié)構(gòu)的變化是超前支承壓力和巷道圍巖變形的根源。因此，巖層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定對小煤柱巷道穩(wěn)定至關(guān)重要，反過來巷道圍巖及煤柱的強(qiáng)度和穩(wěn)定性同樣影響覆巖的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

鑒于以上分析，可以結(jié)合極限平衡理論，對小煤柱合理寬度進(jìn)行計(jì)算：

式中，B為煤柱寬度，m；X0為采空側(cè)煤體的塑性區(qū)寬度為煤層采厚，取2.5 m，A為側(cè)壓系數(shù)，按泊松比為0.3計(jì)算得A=0.43，?0為煤層界面的內(nèi)摩擦角，取20°，C0為煤層界面的黏結(jié)力，取1.2 MPa，K為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.6，γ為巖層平均容重，取25 kN/m3，H為巷道埋深，取299 m，pz為錨桿支護(hù)對煤幫提供的支護(hù)阻力，取0.02 MPa；X3為幫部錨桿有效長度，取2.0 m；X2為煤層厚度安全富余量，按（X0+X3）×（30%～50%）計(jì)算。

根據(jù)以上條件進(jìn)行估算，得到X0=2.31 m，X2=1.29～2.16 m，進(jìn)而得出B=5.6～6.47 m。所以，由極限平衡理論計(jì)算得到的沿空掘巷小煤柱寬度下限為5.6 m。

3 沿空煤巷小煤柱寬度數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

以禾草溝煤礦實(shí)際地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立FLAC3D數(shù)值模型，如圖1所示。計(jì)算模型尺寸為200 m×100 m×50 m（長×寬×高），圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫侖模型，按照煤柱寬度分別為3，6，9，12，20，30 m設(shè)置6個(gè)模擬方案。

3.2 不同煤柱尺寸條件下圍巖應(yīng)力場分布

首先針對50112工作面回采進(jìn)行模擬，待工作面開挖計(jì)算平衡后，分別在采空區(qū)邊緣按6種煤柱寬度開挖沿空巷道，并再次計(jì)算達(dá)到平衡。對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行切片處理，輸出不同煤柱寬度下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布云圖，見圖2。

從圖2可以看出：煤柱寬度對上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植加绊戯@著；煤柱寬度較小時(shí)，側(cè)向支承壓力峰值位于巷道實(shí)體幫側(cè)，較大時(shí)位于煤柱內(nèi)；煤柱內(nèi)應(yīng)力集中隨煤柱寬度的增加顯著增大，煤柱寬度≥12 m時(shí)，煤柱應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)3.5；煤柱寬度為12 m時(shí)，巷道兩幫應(yīng)力均較大，整體處于側(cè)向支承壓力峰值區(qū)，較難維護(hù)。

3.3 不同煤柱尺寸條件下圍巖位移

圍巖位移能直觀表現(xiàn)出巷道的變形區(qū)域，對整體規(guī)律的分析參考價(jià)值較高。對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行切片處理，輸出不同煤柱寬度下50112運(yùn)輸順槽巷道圍巖豎直和水平位移分布云圖，分別見圖3和圖4。

從圖3可以看出：煤柱寬度的變化對煤柱巷道頂板下沉量和底鼓量影響顯著；煤柱寬度小于20 m時(shí)，頂板下沉量表現(xiàn)出明顯的不對稱性，煤柱側(cè)頂板下沉量大于實(shí)體煤側(cè)；12 m時(shí)，巷道頂板下沉量超過100 mm的范圍最大；煤柱寬度≥20 m時(shí)，頂板下沉量明顯減小，30 m時(shí)，頂板下沉量和底鼓量均最小，說明巷道布置在30 m左右時(shí)受側(cè)向支承壓力較小，圍巖變形量??；煤柱寬度為3和6 m時(shí)頂?shù)装逡平恳草^9和12 m時(shí)小，說明小煤柱護(hù)巷時(shí)，巷道亦能處在低應(yīng)力區(qū)。

從圖4可以看出：煤柱寬度的變化對回風(fēng)平巷兩幫水平位移影響顯著，尤其是煤柱幫；煤柱寬度小于20 m時(shí)，實(shí)體煤幫水平位移明顯大于煤柱幫水平位移，最大可達(dá)煤柱幫水平位移的2倍；隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)零水平位移線逐漸遠(yuǎn)離巷道幫部，且由偏巷道幫側(cè)過渡為偏采空區(qū)側(cè)；煤柱寬度為12和20 m時(shí)，巷道頂板中煤柱側(cè)水平位移顯著，表明巷道頂板可能處于基本頂斷裂線附近，巖體受到擠壓內(nèi)移造成的。

綜合以上結(jié)果，50112運(yùn)輸順槽保護(hù)煤柱寬度在6～10 m時(shí)，煤柱處于采空區(qū)邊界的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，不但煤柱內(nèi)存在彈性穩(wěn)定區(qū)，零位移區(qū)域相對較大，巷道圍巖變形量也較小，符合理論計(jì)算得到的5.6 m下限結(jié)果，因此最終煤柱寬度選擇為10 m。

4 沿空巷道斷面設(shè)計(jì)

最終煤柱寬度選擇為10 m時(shí)，理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果均顯示巷道位于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，但需要指出的是，盡管巷道應(yīng)力環(huán)境有所改善，但相比于正常巷道而言，其斷面選擇及支護(hù)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求仍然更高。對于50112工作面而言，其直接頂板為油頁巖，雖然其強(qiáng)度較高，對支護(hù)起到了一定作用，但由于易風(fēng)化，尤其在疊加50112工作面采動(dòng)階段影響時(shí)，對50112工作面運(yùn)輸順槽圍巖與支護(hù)體強(qiáng)度的要求將更高。另外，合理的斷面形式對于圍巖的穩(wěn)定也會(huì)起到一定的作用。對于50112工作面運(yùn)輸順槽，由于其服務(wù)年限較短，采用直墻半圓拱斷面施工復(fù)雜，利用率較低，而采用矩形斷面不利于沿空巷道頂板管理。因此綜合考慮沿空掘巷巷道的施工工藝、頂板管理、支護(hù)以及使用要求，同時(shí)借鑒本礦井其他巷道施工實(shí)際情況，確定沿空順槽采用圓角矩形斷面，該斷面既符合矩形斷面施工工藝等的要求，又兼顧了頂板管理，穩(wěn)定性較高，最終設(shè)計(jì)斷面尺寸為5 000 mm×3 000 mm，具體支護(hù)方案如圖5所示。

按照設(shè)計(jì)得到的沿空掘進(jìn)煤柱寬度（最終選用10 m）、巷道斷面及支護(hù)方式，在現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)性實(shí)施，應(yīng)用后巷道穩(wěn)定，變形量較小，可以滿足生產(chǎn)需求。

5 結(jié)語

（1）禾草溝煤礦50112工作面運(yùn)輸順槽采用沿空掘巷方式，通過極限平衡理論計(jì)算與FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)合的方式，計(jì)算得到了合理的煤柱寬度，確定煤柱寬度為10 m。

（2）考慮沿空巷道應(yīng)力環(huán)境、使用要求及頂板圍巖完整性等因素，沿空順槽設(shè)計(jì)為穩(wěn)定性較強(qiáng)的圓角矩形斷面，采用錨桿+錨索支護(hù)方式，實(shí)際回采期間變形較小。