石港煤業(yè)雙巷掘進(jìn)工作面煤柱合理寬度研究

張勤

（山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 032600）

煤礦工作面在掘進(jìn)時，往往會受到四鄰工作面動壓條件的影響，由于巷道的煤柱受到連續(xù)采動，其破壞程度較大，如果發(fā)生煤柱垮塌，則會影響煤層開挖進(jìn)度，甚至造成塌面等嚴(yán)重事故。順槽煤柱的穩(wěn)定性是決定回采巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵，順槽煤柱的尺寸留設(shè)是影響煤柱穩(wěn)定的決定性因素。本文以石港礦9 號煤層9110 回風(fēng)巷輔助進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面為例，對工作面煤柱合理寬度進(jìn)行研究。

1 概 況

石港礦9 號煤9110 工作面地表位于車道溝村以東，蘆湖新村以南，葦凹村以西，測石村、棗堰渠村以北，屬山坡、山梁、溝谷地段。井下位于蘆南9 號煤采區(qū)南翼中部，東部為9109 工作面（已采），南隔保護(hù)煤柱，為山西煤炭運銷集團(tuán)舊街煤業(yè)有限公司9201 工作面（已采），西為9111 工作面（未掘），北為采區(qū)大巷。

該工作面上方3 號煤層71121、71123 工作面已開采，6 號煤層不可采，8 號煤層8113、8115 工作面已采；下伏12 號、13 號煤不可采，15 號煤未開采。

9110 工作面煤層傾角2°～14°，平均8°；煤層厚度1.30～3.97 m，平均厚度為3.09 m；工作面所采9 號煤層賦存穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，含2～3 層夾石，煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor conditions

9110 工作面回風(fēng)巷及輔助進(jìn)風(fēng)巷每隔50 m 施工一個橫貫，橫貫煤柱設(shè)計寬度10 m。

工作面煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，與上覆8 號煤層間距較小，在2.70～7.00 m，平均約4.22 m，為近距離煤層；工作面東部為9109 工作面（已采），受已采工作面采動影響。

2 巷道支護(hù)方式

2.1 層間距≥6.5 m 時

9110 回風(fēng)巷及輔助進(jìn)風(fēng)巷采用梯形斷面，頂部支護(hù)采用全錨索+經(jīng)緯網(wǎng)+W 鋼帶聯(lián)合支護(hù)，幫部支護(hù)方式為錨桿+經(jīng)緯網(wǎng)+W 鋼護(hù)板聯(lián)合支護(hù)。

頂錨索選用φ21.6 mm×6 200 mm（錨索長度根據(jù)層間距合理選擇），每排布置5 根，三眼錨索布置在巷中，間距975 mm，排距為900 mm。

幫錨桿選用500 號φ20 mm×2 000 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，桿尾螺紋為M22，左右兩幫各布置3 排錨桿，間排距均為900 mm，最上一排距頂板400 mm，最下一排距離底板500 mm。

2.2 層間距＜6.5 m 時

頂部支護(hù)采用全錨索+經(jīng)緯網(wǎng)+W 鋼帶+梯形金屬棚支護(hù)聯(lián)合支護(hù)，幫部支護(hù)方式為錨桿+經(jīng)緯網(wǎng)+W 鋼護(hù)板+梯形金屬棚聯(lián)合支護(hù)。

頂錨索選用φ21.6 mm×6 200 mm（錨索長度根據(jù)層間距合理選擇），每排布置5 根，間距770 mm，排距為800 mm。

幫錨桿選用500 號φ20 mm×2 000 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，桿尾螺紋為M22，左右兩幫各布置3 排錨桿，間距800 mm，排距900 mm，最上一排距頂板300 mm，最下一排距離底板800 mm。

梯形鐵棚采用11 號礦用工字鋼定制，梯形棚上口凈寬3.2 m，荒寬3.58 m，下口凈寬4.3 m，荒寬4.668 m，棚腿與水平面夾角為78°，棚距為800 mm。頂采用“井”字勾盤，幫采用插花勾盤，背板使用φ140 mm×1 000 mm 兩開木，背板兩頭超出工字鋼50 mm，背板要與工字鋼（棚梁及棚腿）成90°擺放。支棚若出現(xiàn)踢腿等現(xiàn)象，在棚腿下側(cè)合適位置打設(shè)φ21.6 mm×4 200 mm 錨索，使用11 號工字鋼1 200 mm（鎖2 根棚腿）將棚腿固定牢靠。

3 煤柱合理寬度的確定

工作面回采后，圍巖應(yīng)力重新分布，因支承壓力的作用，上覆工作面及上區(qū)段采空區(qū)邊緣的煤層，產(chǎn)生了破碎區(qū)和塑性區(qū)。確定合理的窄煤柱寬度，使得巷道處于可以采空區(qū)一側(cè)的低應(yīng)力區(qū)及承載上方采空區(qū)壓力地應(yīng)力區(qū)，有利于巷道的維護(hù)。

石港礦9 號煤采區(qū)9110 工作面回風(fēng)順槽采用煤柱護(hù)巷，以9110 工作面回風(fēng)順槽為例，上覆8 號煤及其東部9109 工作面回采完畢后，待采空區(qū)穩(wěn)定之后，在9110 工作面采空區(qū)東部邊緣留設(shè)10 m 煤柱，但在掘進(jìn)期間受上覆及東部采空區(qū)的影響，為9110 工作面的掘進(jìn)增加了難度，影響安全生產(chǎn)。

3.1 煤柱寬度確定原則

煤柱尺寸過大或過小都不利于巷道圍巖的支護(hù)和維護(hù)，根據(jù)煤柱護(hù)巷機(jī)理，此次煤柱留設(shè)寬度滿足以下要求。

（1）有利于巷道圍巖穩(wěn)定。煤柱過小，不僅煤體破碎、頂煤及實體煤幫也破碎，巷道圍巖整體性差、承載能力小。

（2）有利于巷道采用錨桿支護(hù)，保證巷道圍巖相對完整，松動范圍較小，充分發(fā)揮錨桿的錨固作用和圍巖自身承載的能力。

（3）有利于巷道維護(hù)，使巷道布置在上區(qū)段采空區(qū)兩側(cè)煤體上方的支承壓力降低區(qū)內(nèi)，避免相鄰工作面回采后殘余支承壓力與超前支承壓力的疊加作用。

（4）有利于提高采區(qū)回采率，盡可能地減少煤柱損失，煤柱越小，采出率越大，在滿足巷道圍巖穩(wěn)定的前提下，盡可能減小煤柱寬度。

3.2 工程類比

工程類比法是煤炭行業(yè)借鑒較為多的一種方式。設(shè)計中可以借鑒類似工程經(jīng)驗。根據(jù)石港礦9110 工作面實際情況，收集了我國部分礦井窄煤柱護(hù)巷工程實例，主要包括煤層賦存特征、頂?shù)装鍡l件、開采條件、巷道尺寸、埋深等影響窄煤柱護(hù)巷寬度確定的因素，詳見表2。

表2 國內(nèi)部分礦井煤柱寬度相關(guān)參數(shù)Table 2 Related parameters of coal pillar width in some domestic mines

通過對表1 進(jìn)行分析，與石港礦9110 工作面回風(fēng)順槽工程條件相似的礦井采用寬度為10～15 m 的煤柱進(jìn)行護(hù)巷。

3.3 數(shù)值模擬

采用數(shù)值模擬分析方法，對石港礦9110 工作面回風(fēng)順槽煤柱的合理寬度進(jìn)行研究，同時考慮上覆8 號煤層采空區(qū)的影響，對9 號煤層巷道的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律分析研究。

3.3.1 數(shù)值模型的建立

模擬軟件選擇FLAC3D 軟件，巷道開挖前期，首先計算初始地應(yīng)力，模擬開挖過程中，施加初始應(yīng)力作為荷載值。為確保計算可靠，避免邊界效應(yīng)對計算結(jié)果影響，所建模型必須足夠大。煤層、巖層在建模中采用8 節(jié)點參單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，錨桿、錨索采用桿單元劃分。

根據(jù)9 號煤回采工作面實際情況，建模尺寸長度為300 m、寬度為250 m、高度為90 m。模型4個側(cè)面為位移邊界，限制水平位移，底部為固定邊界，限制水平位移和垂直位移。模型設(shè)有357 280個單元、371 212 個結(jié)點。模擬9 號煤層厚度3 m，上覆巖層厚度56 m，底層34 m。順槽埋深以最大值考量，為540 m。上覆巖產(chǎn)生的重力以載荷均布方式施加在模型上邊界。賦值平衡后9 號煤層的原巖應(yīng)力為13.5 MPa。

模型建好后，以各巖層力學(xué)參數(shù)對巖層進(jìn)行賦值，并施加位移和應(yīng)力邊界條件，模擬至平衡狀態(tài)。模型邊界條件及9 號煤層工作面布置如圖1所示。

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圖1 模型邊界及工作面布置Fig.1 Model boundary and working face layout

此次數(shù)值模擬的目的是為了確定合理的窄煤柱尺寸，依據(jù)研究區(qū)域的9 號煤層開采情況和采掘順序，設(shè)計4 個計算模型，煤柱寬度分別為5.0、10.0、15.0、20.0 m。分別分析不同方案下煤柱及巷道圍巖的應(yīng)力分布情況，變形破壞情況，并分析8 號煤層采空區(qū)對窄煤柱寬度的影響，依此分析采空區(qū)下方窄煤柱護(hù)巷時煤柱及巷道圍巖的變形破壞規(guī)律。

3.3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

數(shù)值模擬過程為8 號煤層工作面回采—9109工作面順槽掘進(jìn)—9109 工作面回采—9110 工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)（不同煤柱寬度）—9110 工作面回采。

3.3.2.1 8 號煤層回采對9 號煤層應(yīng)力的影響分析

9 號煤層工作面順槽均布置于8 號煤層采空區(qū)下方。8 號煤層回采后，9 號煤層巷道圍巖的應(yīng)力重新分布，8 號煤層采空區(qū)及區(qū)段煤柱下方9 號煤層的圍巖垂直應(yīng)力如圖2 所示，煤柱下方9 號煤層垂直應(yīng)力的變化曲線如圖3 所示。

圖2 8 號煤采空區(qū)及煤柱下方垂直應(yīng)力分布Fig.2 Vertical stress distribution under goaf and coal pillar of No.8 coal seam

圖3 8 號煤層采空后9 號煤層垂直應(yīng)力曲線Fig.3 Vertical stress curve of No.9 coal seam after goaf in No.8 coal seam

由圖2 可知，8 號煤層采空之后，原巖應(yīng)力場重新分布，在區(qū)段煤柱煤柱內(nèi)部及其下方形成一定范圍內(nèi)的應(yīng)力集中區(qū)。結(jié)合圖3 中9 號煤層的垂直應(yīng)力分布曲線可知，煤柱正下方9 號煤層的垂直應(yīng)力為23.02 MPa，對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)為1.84；在采空區(qū)下方形成應(yīng)力釋放區(qū)，隨著距離區(qū)段煤柱距離的增加，垂直應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，距離煤柱大于40 m 范圍內(nèi)的垂直應(yīng)力穩(wěn)定在12.2 MPa 左右。

3.3.2.2 不同寬度窄煤柱應(yīng)力及穩(wěn)定性分析

在相同的開采條件下，利用FLAC3D 分別對煤柱寬度5.0、10.0、15.0、20.0 m 四個方案進(jìn)行數(shù)值模擬，在順槽兩幫布置測線，監(jiān)測兩幫圍巖的垂直應(yīng)力，據(jù)此分析對巷道圍巖及煤柱的受力特點。不同寬度煤柱時回風(fēng)順槽圍巖的應(yīng)力分布如圖4 所示。

根據(jù)圖4 的應(yīng)力云圖和應(yīng)力分布曲線可知，不同寬度的煤柱內(nèi)存在不同程度的應(yīng)力集中。煤柱寬度小于等于10.0 m 時，在煤柱內(nèi)形成一個明顯的應(yīng)力集中區(qū)，且應(yīng)力峰值較高，為35～40 MPa；當(dāng)煤柱寬度大于15.0 m 時，在煤柱內(nèi)形成2 個應(yīng)力集中區(qū)，且隨著煤柱寬度的增加，2 個集中區(qū)逐漸遠(yuǎn)離，其中靠近采空區(qū)一側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)分布在距離采空區(qū)1.0～2.5 m，應(yīng)力集中程度高，靠近回風(fēng)順槽一側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)分布在距離巷幫3.5～4.5 m，應(yīng)力集中程度較低。

圖4 不同寬度煤柱9110 回風(fēng)順槽圍巖的垂直應(yīng)力云圖及曲線Fig.4 Vertical stress nephogram and curve of surrounding rock of 9110 return air roadway with different width coal pillars

4 結(jié) 論

（1）8 號煤層區(qū)段煤柱距離9110 工作面回風(fēng)順槽距離較遠(yuǎn)，回風(fēng)順槽全部布置于8 號煤層采空區(qū)下方，8 號煤層采空對巷道的影響較小。

（2）9109 工作面回采后，布置9110 回風(fēng)順槽時應(yīng)盡量避開9109 工作面采空區(qū)一側(cè)的應(yīng)力峰值和圍巖塑性破壞的區(qū)域，初步考慮煤柱的寬度大于10.0 m。

（3）通過綜合工程類比、數(shù)值模擬所得合理煤柱寬度最終確定9110 工作面煤柱護(hù)巷的合理煤柱寬度為10～15.0 m。