盤區(qū)輔助回風巷護巷煤柱寬度尺寸研究

張海榮，楊娟娟，雷薪雍，李艷軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦業(yè)工程系，陜西 榆林 719000)

煤柱留設(shè)一直以來是煤礦中常用的護巷方法。留設(shè)煤柱時應(yīng)該在保證巷道穩(wěn)定性同時，使煤柱寬度盡可能的小，因此，煤柱留設(shè)的尺寸是否合理，對提高資源采出率和保障安全生產(chǎn)都有重要的意義[1-5]。近年來，多位學(xué)者對不同條件下煤柱尺寸的合理留設(shè)進行了大量的研究，形成了很多成果。有通過利用現(xiàn)場實測的煤巖應(yīng)力分布狀態(tài)來確定區(qū)段煤柱合理寬度[6-8]，有采用力學(xué)理論推導(dǎo)出具體公式，以計算出能保持穩(wěn)定的煤柱寬度[9-11]，也有通過大量學(xué)習(xí)案例，類比確定留設(shè)寬度，隨后利用三維有限差分數(shù)值計算軟件進行數(shù)值模擬來驗證或分析煤柱寬度的合理性[12-15]。這些寶貴的理論成果和多個礦井廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，為進一步研究不同煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件下的煤柱合理留設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

神樹畔煤礦回風大巷兼做盤區(qū)回風巷，在生產(chǎn)過程中實測風速超限，因此，研究決定沿31101—31107采空區(qū)施工一條盤區(qū)輔助回風巷，以使得專用回風巷風速正常。為保證煤柱寬度合理、巷道穩(wěn)定，結(jié)合礦井生產(chǎn)實際地質(zhì)條件，對留設(shè)煤柱的合理寬度進行分析研究。在對31盤區(qū)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及超前應(yīng)力分布規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，綜合運用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法，給出神樹畔煤礦31盤區(qū)輔助回風巷護巷煤柱的合理留設(shè)寬度，為通風改造掘巷技術(shù)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

神樹畔煤礦位于陜北榆神礦區(qū)南部，斜井開拓，生產(chǎn)能力120萬t/a，礦井現(xiàn)主采3號煤層，3號煤層均厚11.16m，埋深170.15～292.73m。煤層平均傾角0.5°。煤層直接頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，次為鈣質(zhì)泥巖，個別中粒砂巖，底板以粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，次為粉砂巖，少量為細粒砂巖、炭質(zhì)泥巖。煤層層位穩(wěn)定，厚度大，變化規(guī)律明顯，結(jié)構(gòu)簡單，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定型特厚煤層。

31盤區(qū)有3條盤區(qū)大巷，中心間距為40m，3號煤層大巷南北兩側(cè)各留設(shè)了100m的大巷護巷煤柱。目前開采的31盤區(qū)分為北翼與南翼，北翼共布置31101—31108工作面，大巷采用錨網(wǎng)噴支護，回采巷道采用錨網(wǎng)支護。采用傾斜長壁綜合放頂煤采煤工藝?，F(xiàn)回采工作面為北翼最后一個工作面，即31108采煤工作面。31101—31107工作面為采空區(qū)，研究決定在大巷北靠采空區(qū)一側(cè)掘進一條盤區(qū)輔助回風巷。巷道布置如圖1所示。

圖1 神樹畔煤礦31盤區(qū)工作面布置

2 工作面超前支承壓力監(jiān)測分析

2.1 監(jiān)測方案

由于31盤區(qū)已經(jīng)完成31101—31107工作面的回采工作。神樹畔煤礦在進行31104綜采工作面時對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、覆巖運動規(guī)律及支架適應(yīng)性進行了詳細研究。在31104工作面布置采場支架壓力傳感器、端頭支架壓力傳感器、煤壁鉆孔應(yīng)力及巷道錨桿測力計等監(jiān)測設(shè)備，對31104工作面壓力、煤柱穩(wěn)定性及巷道支護效果進行全方位監(jiān)測，監(jiān)測設(shè)備布置如圖2所示。在工作面的回采過程中積累了大量的現(xiàn)場礦壓觀測數(shù)據(jù)。因此，以31104工作面實測資料為依據(jù)，對31盤區(qū)北翼工作面超前支承壓力分布規(guī)律進行研究，以期為確定31盤區(qū)輔助回風巷位置提供實測數(shù)據(jù)。

圖2 3104工作面超前支承壓力現(xiàn)場監(jiān)測方案

31104工作面位于神樹畔煤礦31盤區(qū)北翼，工作面可采推進長度1756m，傾向長度265m，工作面設(shè)計切眼位于礦井北部邊界，切眼布置在井田西北部距離礦井邊界20m，終采線距3號煤輔運大巷177.1m，該工作面西翼為31105工作面，東翼為31103采空區(qū)，北翼為榆樹灣井田，南翼為大巷保護煤柱，其他四周均無采掘活動。

采用鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測手段，對31104工作面回采時工作面超前支承壓力分布規(guī)律進行監(jiān)測研究。在工作面回風巷一側(cè)，超前于工作面80m處布置一組鉆孔應(yīng)力計。應(yīng)力計鉆孔直徑為48～50mm，方向垂直于煤體，高度為1.5m，傾角為3°～5°，1—5號應(yīng)力計鉆孔深度分別為1m、3m、5m、7m、9m，孔水平間距為1m。各鉆孔應(yīng)力計自安裝完成至工作面推過安裝位置，壓力記錄儀每隔30min記錄一次各個鉆孔應(yīng)力計的應(yīng)力值，并自動存儲數(shù)據(jù)，各應(yīng)力計分別獲得大量監(jiān)測數(shù)據(jù)?？紤]到應(yīng)力測試數(shù)據(jù)太多，在采動應(yīng)力分析時每天只取一個數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)選取的原則是：首先剔除由于測試系統(tǒng)可能不穩(wěn)定或其他原因造成的異常數(shù)據(jù)(如監(jiān)測數(shù)據(jù)中的負值)，以當天16點左右的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，取當天監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值。綜合對比各鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測結(jié)果，獲得31盤區(qū)采動影響下工作面前方超前支承壓力分布規(guī)律。

2.2 超前支承壓力檢測結(jié)果分析

31104工作面生產(chǎn)幫側(cè)鉆孔應(yīng)力計從超前工作面80～0m范圍對工作面超前采動應(yīng)力情況進行了持續(xù)監(jiān)測，篩選出鉆孔深度為1m、5m、9m的應(yīng)力計監(jiān)測數(shù)據(jù)，并繪出工作面推進過程中工作面前方垂直應(yīng)力變化曲線，如圖3所示。由圖3可知，當鉆孔應(yīng)力計距離工作面較遠時，煤體處于相對穩(wěn)定的原巖應(yīng)力階段。隨著工作面的推進，工作面前方不同深度煤體內(nèi)的應(yīng)力明顯增加。超前工作面32m時1號鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測數(shù)據(jù)開始明顯升高，并在超前工作面4m左右位置處達到峰值，監(jiān)測得到的峰值應(yīng)力為11.63MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.11，隨著工作面推進，應(yīng)力逐步降低；3號鉆孔應(yīng)力計在超前工作面28m時應(yīng)力開始升高，超前工作面20m左右時，3號應(yīng)力計相對應(yīng)力增幅明顯，超前工作面3m時應(yīng)力達到峰值，監(jiān)測得到的峰值應(yīng)力為12.86MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.34；5號鉆孔應(yīng)力計超前工作面30m左右位置時開始明顯增加，超前工作面16m時應(yīng)力增幅加快，超前工作面8m左右時應(yīng)力達到峰值，為12.68MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.31。

圖3 83104工作面運輸巷應(yīng)力計監(jiān)測曲線

綜上分析可知，受工作面采動影響，當工作面距離較遠時，煤體處于原巖應(yīng)力階段；當距離工作面較近時，在超前支承壓力的作用下，煤體應(yīng)力值明顯增高。神樹畔煤礦31104工作面采動影響范圍為超前工作面30m，劇烈影響區(qū)為超前工作面16m左右，超前支承壓力峰值位于煤壁前方7～10m的位置。

3 護巷煤柱寬度理論計算

煤柱尺寸的大小影響到巷道受動壓破壞的程度，是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素之一，巷道的穩(wěn)定性與護巷煤柱尺寸有很大的關(guān)系，合理的煤柱尺寸不僅可以減小巷道的變形，減小巷道維護工程量，而且還可以減少煤炭資源損失。結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，按照煤柱載荷估算和塑性理論分別計算出新掘盤區(qū)輔助回風巷護巷煤柱合理寬度范圍[16]。

3.1 煤柱載荷估算

大量研究普遍認為：護巷煤柱上的載荷P是由煤柱上覆巖層重量和煤柱一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量所引起的[17]，計算煤層載荷理論模型如圖4所示。單位煤柱體上總載荷簡化公式：

式中，B為煤柱寬度，m；D為采空區(qū)寬度，m；H為巷道埋深，mm；δ為采空區(qū)上覆巖層垮落角，(°)；γ為上覆巖層平均體積力，kN/m3。

圖4 計算煤層載荷理論模型

護巷煤柱單位面積平均應(yīng)力：

煤柱的強度主要由組成煤柱的煤巖體強度、煤柱的寬度和高度及總的構(gòu)造特征決定的，大量的研究表明煤柱強度隨煤柱寬高比的增大而增大[18]。一般用Obert-Dwvall/Wang經(jīng)驗公式表示：

式中，Rc為護巷煤柱原位臨界立方體單軸抗壓強度，MPa；M為護巷煤柱高度，m。

按照極限強度理論，護巷煤柱的寬度必須要保證煤柱的極限載荷小于等于它的極限強度，由此，可推出煤柱合理寬度的計算表達式：

根據(jù)得出的式(4)，將該工程載體對應(yīng)的有關(guān)數(shù)據(jù)代入計算得：當護巷煤柱寬度B不小于9.83m時，可以保證煤柱穩(wěn)定。

3.2 極限平衡區(qū)理論計算

護巷煤柱一側(cè)為31盤區(qū)北翼工作面的采空區(qū)，一側(cè)為盤區(qū)輔助回風巷。在護巷煤柱兩側(cè)形成各自的塑性變形區(qū)，塑性區(qū)的寬度分別為x0、x1，如圖6所示。因此，護巷煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核，彈性核的寬度應(yīng)不小于煤柱高度的2倍。因此，即使在煤柱內(nèi)開掘一條非常窄的巷道，也會引起煤柱應(yīng)力重新分布，造成有效支承面積減少，煤柱承載能力急劇下降。

圖6 計算煤層載荷理論模型

根據(jù)工程現(xiàn)狀，當前煤柱兩側(cè)均可形成塑性變形區(qū)。煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是存在于煤柱中部的中央彈性核區(qū)的寬度要不小于煤柱高度的2倍[19]，即：

B≥x0+2M+x1

(5)

式中，x0為護巷煤柱31盤區(qū)工作面?zhèn)人苄詤^(qū)寬度，m；x1為護巷煤柱輔助回風巷側(cè)塑性區(qū)寬度，m。

根據(jù)31104工作面現(xiàn)場實測知，處于工作面超前范圍內(nèi)的煤柱，其側(cè)向支承壓力最大值所處位置距離巷幫4～6m，即回采側(cè)塑性區(qū)寬度x0=4～6m。另外，根據(jù)巷道高度M=3.5m，得出中央彈性核區(qū)寬度為7m。

按照極限平衡理論，可用以下公式計算巷道側(cè)形成的塑性區(qū)寬度[10]：

式中，μ為泊松比；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；C0為煤體內(nèi)聚力，MPa；P0為巷道幫部支護強度，MPa。

31盤區(qū)煤巖體力學(xué)性能參數(shù)見表1。將表1中的部分數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實測的有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)得x1=4.3m。由此可得：B≥x0+2M+x1=15.3～17.3m，即護巷煤柱寬度應(yīng)不小于15.3～17.3m。

表1 煤巖體力學(xué)性能

4 護巷煤柱寬度數(shù)值模擬計算

4.1 數(shù)值模擬模型方案

以神樹畔煤礦31盤區(qū)煤層地質(zhì)條件為背景，建立FLAC3D數(shù)值模擬模型。模型長300m，寬320m，高70m，共計193104個單元和208050個節(jié)點，四周各留30m邊界，數(shù)值模擬模型如圖7所示。

圖7 FLAC 3D數(shù)值模擬模型

在模型上部施加垂直方向5.5MPa的載荷以模擬上覆未建模的巖層自重。然后設(shè)定對X和Y方向的四個邊界進行位移約束，對下邊界進行位移和應(yīng)力約束，上邊界不約束。模型的煤和巖體材料破壞準則采用摩爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服準則。為了模擬盤區(qū)輔助回風巷的服務(wù)過程，待數(shù)值模擬模型初始計算平衡后，首先開挖盤區(qū)輔助回風巷，計算平衡后開挖31104工作面回采巷道，再開挖31104工作面至擬留設(shè)的護巷煤柱寬度位置。

4.2 數(shù)值模擬模型分析

4.2.1 護巷煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律

根據(jù)采空區(qū)側(cè)留設(shè)5m、10m、15m、20m、25m不同寬度煤柱方案進行回風巷道的開挖，開挖過程中不同煤柱內(nèi)部的應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 不同寬度護巷煤柱垂直應(yīng)力分布(Pa)

由圖8可知，31盤區(qū)輔助回風巷開挖至31104工作面回采結(jié)束期間，會在護巷煤柱間形成不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。不同寬度的煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值位置接近煤柱正中，略有偏向回采側(cè)。當煤柱寬度為10m時，受工作面超前采動影響，護巷煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，煤體應(yīng)力峰值接近14MPa；隨著煤柱變寬的增大，當護巷煤柱寬度為15m時，煤體內(nèi)部會在盤區(qū)輔助回風巷和工作面間出現(xiàn)2個應(yīng)力集中“內(nèi)核”，如圖8(b)所示；當護巷煤柱寬度達到20m時，護巷煤柱內(nèi)2個應(yīng)力集中“內(nèi)核”分離現(xiàn)象明顯，切巷幫應(yīng)力峰值遠小于煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值，表明煤柱穩(wěn)定。隨著煤柱寬度的增加，煤柱承載能力逐漸增加，煤柱內(nèi)的應(yīng)力有減小趨勢。

4.2.2 盤區(qū)輔助回風巷位移變化規(guī)律

不同護巷煤柱寬度巷道頂?shù)装逡平壳€如圖9所示，由圖9可知，隨著工作面推采至護巷煤柱，盤區(qū)輔助回風巷頂?shù)装逡平勘O(jiān)測曲線均呈現(xiàn)先緩慢后加速的增長趨勢。當護巷煤柱寬度從10m增大到25m的過程中，盤區(qū)輔助回風巷頂?shù)装逡平侩S煤柱寬度增加而減小。整體呈現(xiàn)隨煤柱寬度增大而下降的勢態(tài)，當煤柱寬度大于20m后，頂?shù)装逡平肯陆第厔葑顬槊黠@，20m護巷煤柱頂?shù)装逡平窟_到108mm，10m時頂?shù)装逡平孔畲?，?80mm。

圖9 不同護巷煤柱寬度巷道頂?shù)装逡平壳€

不同護巷煤柱寬度巷道兩幫收斂量曲線如圖10所示，從圖10中可以看出，煤柱寬度從10m增大到15m和煤柱寬度從20m增大到25m，盤區(qū)輔助回風巷巷道兩幫相對水平位移變化不大，整體趨勢較為接近，最大值分別為10m煤柱時164mm和25m煤柱時的104mm；但是當煤柱寬度從15m增大到20m，巷道兩幫收斂量明顯減少，表明20m護巷煤柱時，煤柱內(nèi)部煤體較為穩(wěn)定。

圖10 不同護巷煤柱寬度巷道兩幫收斂量曲線

因此，以神樹畔煤礦煤層地質(zhì)條件和31盤區(qū)巷道布置為背景，通過數(shù)值模擬4種不同寬度條件下煤柱的應(yīng)力和變形規(guī)律，綜合得出護巷煤柱寬度按大于20m留設(shè)較為合理。綜合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析、理論計算、數(shù)值模擬等研究結(jié)果，最終確定沿31盤區(qū)北翼采空區(qū)外20m處施工一條盤區(qū)輔助回風巷的施工方案合理可行。

5 結(jié) 論

1)以31104工作面實測資料為依據(jù)，對31盤區(qū)北翼工作面采動影響下工作面前方超前支承壓力分布規(guī)律進行研究，由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可知：神樹畔煤礦31104工作面采動影響范圍為超前工作面30m，劇烈影響區(qū)為超前工作面16m左右，超前支承壓力峰值位于煤壁前方7～10m的位置。因此31盤區(qū)回風巷護巷煤柱寬度不得小于10m。

2)結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，按照煤柱載荷估算得出護巷煤柱寬度應(yīng)大于9.83m；通過極限平衡理論計算，得出新掘盤區(qū)輔助回風巷護巷煤柱合理寬度不小于15.3～17.3m。

3)采用FLAC3D數(shù)值模擬分別對煤柱寬度為10m、15m、20m、25m時輔助回風大巷掘進時的應(yīng)力分布、巷道變形等進行模擬計算，結(jié)果表明：當護巷煤柱寬度達到20m時，護巷煤柱內(nèi)2個應(yīng)力集中“內(nèi)核”分離現(xiàn)象明顯，煤柱承載能力增加，同時頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛肯陆第厔葑顬槊黠@，表明護巷煤柱尺寸大于20m時，煤柱內(nèi)煤體較為穩(wěn)定。

4)在對31盤區(qū)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及超前應(yīng)力分布規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，綜合運用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法，最終確定神樹畔煤礦31盤區(qū)輔助回風巷護巷煤柱的合理留設(shè)寬度為20m。