基于塊體離散元的厚煤層沿空巷道合理煤柱寬度分析

姜志剛

（開(kāi)灤（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

0 引 言

隨著煤炭資源開(kāi)采不斷向深部轉(zhuǎn)移，巷道兩側(cè)的支撐壓力峰值也不斷向煤巖體內(nèi)深部發(fā)展。深部厚煤層中煤巖體內(nèi)塑性區(qū)發(fā)育，給回采巷道的布設(shè)帶來(lái)了一定的困難。常規(guī)方法為在無(wú)擾動(dòng)區(qū)內(nèi)布置巷道，留設(shè)大煤柱，這種方法造成了大量的煤炭損失。小煤柱或無(wú)煤柱沿空掘巷技術(shù)逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

在沿空巷道實(shí)踐中，護(hù)巷煤柱留設(shè)的尺寸是沿空巷道技術(shù)成敗的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究[1-5]。蘇超[6]基于極限平衡理論確定了沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度的合理取值區(qū)間，并結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)行了優(yōu)化；王志強(qiáng)[7-8]采用理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了錯(cuò)層位外措式沿空掘巷機(jī)理及相鄰巷道的立體化聯(lián)合支護(hù)技術(shù)；李生鑫[9]通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，研究了煤柱的合理寬度，確定煤柱寬度為8 m；邢海天[10]采用脹鎖式對(duì)穿錨索加固沿空掘巷留設(shè)煤柱，闡述了沿空掘巷留設(shè)煤柱的雙向加固機(jī)理。

綜上可見(jiàn)，沿空巷道護(hù)巷煤柱合理寬度取值尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。鑒于此，本文依據(jù)開(kāi)灤集團(tuán)范各莊礦7 號(hào)煤地質(zhì)采礦條件，采用UDEC 離散元數(shù)值模擬程序，對(duì)留設(shè)不同寬度煤柱沿空巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確定合理的護(hù)巷煤柱寬度，并以工程應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 模擬巷道采礦地質(zhì)條件

本次以范各莊礦7 號(hào)煤層2375 工作面回采巷道為研究對(duì)象。模擬范圍內(nèi)煤層平均埋深450 m，煤層厚度平均為4.1 m。巷道斷面為矩形，尺寸為4 m×2.8 m，沿著煤層底部掘進(jìn)，頂上留有一層較厚煤層作為頂板，巷道頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)及巖性見(jiàn)表1。

表1 巷道頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)及巖性Table 1 Structure and lithology of roadway roof and floor

2 模型建立

上區(qū)段工作面開(kāi)挖完后形成采空區(qū)，沿空掘巷受到采空區(qū)側(cè)向支承壓力與本工作面的超前采動(dòng)支承壓力的疊加作用，其圍巖以及煤柱裂隙發(fā)育、破碎，采用數(shù)值計(jì)算軟件UDEC4.0 模擬分析沿空掘巷圍巖及煤柱的穩(wěn)定性。

基于范各莊礦7 號(hào)煤層的鉆孔資料建立500 m（寬） ×230 m（高） 的模型。模型頂部施加等效于上覆巖層自重的均布載荷5.5 MPa（上覆巖層容重25 kN/m）3，模型兩邊水平約束，底部固定約束，留設(shè)巷道煤柱寬度分別為1、2、3、4、5、6、8、10、15、20、30、50 m。巖體和節(jié)理均采用Mohr-Coulomb 模型，塊體模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模擬力學(xué)模型Fig.1 Mechanical models of numerical simulation

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 巷道圍巖變形及塑性區(qū)

煤柱寬度為5 m 時(shí)的巷道圍巖變形及塑性區(qū)分布特征，如圖2 所示。由圖分析可知，沿空掘巷留設(shè)保護(hù)煤柱寬度為5 m 時(shí)，巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟考s為300 mm；巷道兩幫（煤體、煤柱） 最大變形量約為150 mm；巷道圍巖最大塑性區(qū)范圍約為8 m，其中煤柱已全部發(fā)生塑性變形，巷道開(kāi)挖完成后仍保留有較好斷面率，保障了生產(chǎn)需求。

圖2 煤柱寬為5 m時(shí)巷道圍巖變形及塑性區(qū)分布Fig.2 Deformation and plastic zone distribution of roadway surrounding rock with 5 m of coal pillar width

不同煤柱寬度條件下巷道圍巖變形情況，如圖3 所示。由圖分析可知：①隨著留設(shè)煤柱加寬，煤柱壓縮量、巷道兩幫及頂?shù)装宓南鄬?duì)移近量逐漸減小，這由于煤柱加寬，其自身抗變形能力增加，進(jìn)而可控制巷道頂板小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；②煤柱寬度超過(guò)5 m，煤柱壓縮量、巷道兩幫及頂?shù)装宓南鄬?duì)移近量變化規(guī)律均趨于穩(wěn)定。

圖3 不同煤柱寬度條件下巷道圍巖變形量Fig.3 Deformation of roadway surrounding rock under different coal pillar widths

3.2 圍巖應(yīng)力分布

不同煤柱寬度條件下巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律，如圖4 所示。由圖分析可知：①煤柱寬度增加，煤柱、頂板和底板中最大應(yīng)力值逐漸增大并趨于穩(wěn)定，這是由于煤柱寬度的增加導(dǎo)致應(yīng)力峰值向煤柱側(cè)轉(zhuǎn)移的結(jié)果；②煤柱寬度超過(guò)8 m，煤柱寬度增加，煤柱內(nèi)的最大應(yīng)力值變化幅度較小，保持在21 MPa 左右；而底板中最大應(yīng)力值不斷增加至約20 MPa，可能由于巷道處于側(cè)向支承壓力高峰區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致巷道圍巖受力增加，對(duì)圍巖控制不利?？梢?jiàn)，該工況條件下沿空掘巷護(hù)巷煤柱的寬度不應(yīng)當(dāng)超過(guò)8 m。

圖4 不同煤柱寬度時(shí)巷道圍巖應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution of roadway surrounding rock with different coal pillar widths

綜上可知，結(jié)合巷道圍巖變形和應(yīng)力分布變化規(guī)律范各莊礦2375 工作面回采巷道合理的煤柱寬度范圍應(yīng)為5 ～8 m。

4 工程應(yīng)用

范各莊礦2375 工作面運(yùn)輸巷實(shí)際設(shè)計(jì)沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度為5.5 m。采取了合理支護(hù)措施，具體方案如下。

（1） 頂板采用φ20 mm×2 400 mm 等強(qiáng)無(wú)縱筋左旋螺紋鋼錨桿、金屬網(wǎng)和鋼帶進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)；采用φ17.8 mm×7 300 mm 小孔徑錨索和預(yù)應(yīng)力鋼鉸線桁架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。錨桿間排距為700 mm×800 mm，錨索排距為2.4 m，即每3 排錨桿中間布置1 排，每排2 根，每根錨索分別距煤幫1.0 m，垂直頂板布置；鋼鉸線桁架的排距為2.4 m，每3排錨桿布置1 套桁架，分別占用相應(yīng)的錨桿位置，但鋼鉸線桁架與錨索排等間距布置，部分地段頂板實(shí)施注漿加固。

兩幫采用φ20 mm×2 400 mm 高強(qiáng)度無(wú)縱筋左旋螺紋鋼錨桿、鋼帶和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，采用φ17.8 mm×6 500 mm 預(yù)應(yīng)力鋼鉸線桁架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，對(duì)全地段窄煤柱幫和部分地段實(shí)煤體幫實(shí)施注漿加固。錨桿間排距為800 mm×800 mm、鋼鉸線桁架排距為1.6 m，如圖5 所示。

圖5 斷面支護(hù)設(shè)計(jì)Fig.5 Section support design

2375 工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間和回采期間，監(jiān)測(cè)了巷道的表面位移，結(jié)果如圖6 所示。由圖分析得出：①隨掘進(jìn)面向前推進(jìn)，圍巖變形逐漸增大，掘進(jìn)面推進(jìn)200 m 后，圍巖變形速度開(kāi)始減??；②隨回采面向前推進(jìn)，沿空巷道超前影響范圍約為60 m。

圖6 掘進(jìn)及回采期間巷道圍巖應(yīng)力及變形規(guī)律Fig.6 Stress and deformation lawof roadway surrounding rock during excavation and mining

綜上所述，當(dāng)沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度為5.5 m時(shí)，在掘進(jìn)與回采期間頂?shù)装謇塾?jì)最大移近量約為1 500 mm，兩幫累計(jì)最大移近量約為1 800 mm，掘巷斷面能夠保持原斷面的66%以上，滿足安全生產(chǎn)使用要求。

5 結(jié) 論

（1） 分析巷道圍巖變形和應(yīng)力情況，煤柱寬度小于8 m 時(shí)，煤柱尺寸大小及強(qiáng)度是影響巷道圍巖穩(wěn)定的主要因素；煤柱寬度超過(guò)8 m 時(shí)，煤柱上所承受的載荷為影響巷道圍巖穩(wěn)定的主要因素。

（2） 結(jié)合范各莊礦具體條件，數(shù)值模擬得出不同護(hù)巷煤柱寬度下巷道圍巖變形特征及應(yīng)力分布規(guī)律，并最終確定厚煤層沿空掘巷護(hù)巷煤柱的合理寬度范圍為5 ～8 m。

（3） 根據(jù)護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性要求，范各莊礦2375 工作面沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度設(shè)計(jì)為5.5 m，巷道變形后斷面仍保持在原斷面的66%以上，滿足了生產(chǎn)和巷道要求。