郭家河煤礦區(qū)段煤柱合理寬度的確定與圍巖控制研究

劉天文

（陜西郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721500）

煤柱的留設(shè)一直是煤礦設(shè)計人員關(guān)心的話題，其寬度設(shè)計影響著工作面順利接續(xù)和礦壓控制效果[1-4]。郭家河煤礦為得出2308 工作面與1309 采空區(qū)之間留有的合適煤柱寬度，采用理論計算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測等手段來進(jìn)行了確定。

1 工程背景

郭家河煤礦已完成1301～1309 工作面回采，接續(xù)工作面為Ⅱ盤區(qū)2308 工作面，煤層厚16 m，埋深約800 m。巷道頂板上覆巖層主要由中粒砂巖、細(xì)粒砂巖及泥巖組成，厚度分別為16 m、5.14 m、4.86 m，底板主要由泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，厚度約3.5 m、6.51 m?，F(xiàn)場工作面布置示意圖如圖1。巷道頂?shù)装迕簬r體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巷道巖層及煤的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 工作面布置示意圖

2 煤柱尺寸的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知，工作面一側(cè)采空時區(qū)段煤柱塑性區(qū)的寬度為：

煤柱在兩側(cè)邊緣除去塑性區(qū)寬度還要一部分煤柱處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，一般定義該寬度為1～2 倍的開采煤層采高，計算公式為：

式中：X0為一側(cè)采空時煤柱塑性區(qū)的寬度，m；B為煤柱合理寬度，m；M為煤層開采厚度，M=16 m；K為應(yīng)力集中系數(shù)，K=2.0；γ為采場上覆巖層的平均容重，γ=2.5 kN/m3；h為煤層埋藏深度，h=800 m；C為煤的黏聚力，C=0.98 MPa；φ為煤的內(nèi)摩擦角，φ=30°；f為煤層與頂?shù)装褰佑|面的摩擦系數(shù)，f= 0.8；pi為支架對煤幫的阻力，忽略不計；ξ為三軸應(yīng)力系數(shù)，ξ=（1+sinφ）/（1-sinφ）。

根據(jù)煤礦實際開采條件，可計算出一側(cè)采空時煤柱塑性區(qū)的寬度X0=8.25 m，即煤柱合理寬度B=32.5～48.5 m。

3 數(shù)值模擬分析

通過理論計算得到合適煤柱寬度為32.5～48.5 m，取煤柱寬度32 m、36 m、40 m、44 m 進(jìn)行對比分析，進(jìn)而確定2308 工作面與1309 采空區(qū)之間具體煤柱寬度。

3.1 數(shù)值模型的建立

建立FLAC3D數(shù)值計算模型，考慮到模型邊界效應(yīng)及計算速度，確定數(shù)值計算模型邊長為x×y×z=800 m×400 m×200 m，數(shù)值模型如圖2。模型中模擬煤巖體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，模型四周及底面全部施加位移約束，計算模型頂部施加應(yīng)力邊界。經(jīng)計算，模型頂面需施加均布垂直荷載17.5 MPa，水平方向施加梯形演化荷載為垂直應(yīng)力的0.7 倍。

圖2 數(shù)值計算模型示意圖

3.2 不同煤柱寬度下應(yīng)力及塑性區(qū)分析

為了更好地獲得不同煤柱寬度下應(yīng)力演化規(guī)律，工作面沿y方向推采時，選取典型狀態(tài)（y=200）進(jìn)行切片處理。經(jīng)Tecplot 軟件提取應(yīng)力值，Surfer軟件可視化處理后得到不同煤柱寬度下采動應(yīng)力云圖如圖3，煤柱塑性區(qū)示意圖如圖4。

圖3 不同煤柱寬度下應(yīng)力云圖

圖4 不同煤柱寬度下塑性區(qū)示意圖

分析圖3、圖4 可知：當(dāng)煤柱寬32 m、36 m、40 m、44 m 時，煤柱應(yīng)力值分別達(dá)到32.2 MPa、38.1 MPa、34.4 MPa、32.74 MPa。煤柱應(yīng)力值隨煤柱寬度的增加呈先增大后減小趨勢，應(yīng)力集中系數(shù)分別達(dá)到1.61、1.9、1.72、1.64。煤柱寬32 m 時，雖然巷道圍巖產(chǎn)生塑性區(qū)破壞與工作面開采所產(chǎn)生的塑性區(qū)破壞相互貫通并連接成一個整體，但存在一定的彈性區(qū)域，說明在此煤柱寬度下，具有一定的承載能力。隨著煤柱寬度的增加，承載能力逐漸提高，煤柱的應(yīng)力值逐漸增大。當(dāng)煤柱寬36 m 時，煤柱應(yīng)力值達(dá)到最大，呈單峰狀，沖擊風(fēng)險較大。當(dāng)煤柱寬40 m、44 m 時，煤柱應(yīng)力值隨煤柱寬度的增加逐漸減小，呈雙峰狀，且存在一定的彈性區(qū)域，兩者的應(yīng)力值相差1.7 MPa。因此從煤炭資源回收率來講，選擇32 m 寬煤柱是合適的。但郭家河煤層厚16 m，采用綜采放頂煤工藝進(jìn)行開采，同時需兼顧防治水與瓦斯災(zāi)害防治，若留設(shè)煤柱寬度較小，則存在一定的危險性，因此，選擇32 m 寬煤柱是不合適的。36 m 寬度的煤柱，雖然能滿足要求，但煤柱應(yīng)力值達(dá)到最大，從防沖角度出發(fā)，也是不合適的。因此，郭家河煤礦Ⅱ盤區(qū)煤柱設(shè)計寬度應(yīng)為40 m。從數(shù)值模擬結(jié)果看，40 m 煤柱應(yīng)力呈雙峰分布，應(yīng)力峰值與應(yīng)力集中系數(shù)隨著煤柱寬度的加大降低很小，選擇該煤柱寬度可以滿足郭家河煤礦安全開采條件，能滿足防沖煤柱留設(shè)要求。

4 工程實踐

現(xiàn)場選擇煤柱寬度40 m 后，2308 工作面運輸巷斷面尺寸為凈寬5.8 m，凈高3.9 m。巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)索帶聯(lián)合支護(hù)，其中頂板采用全錨索支護(hù)，頂板短錨索使用Φ21.8 mm×4300 mm 鋼絞線，間排距為900 mm×850 mm；長錨索使用Φ21.8 mm×8300 mm 長鋼絞線，每排3 根，間排距為1600 mm×1700 mm；幫部錨桿間排距為 900 mm×850 mm。錨桿施加預(yù)緊力為80 kN，錨索施加預(yù)緊力為180 kN。巷道斷面及支護(hù)設(shè)計如圖5。

圖5 巷道支護(hù)示意圖（mm）

巷道圍巖變形具有明顯的階段特征。0～45 d 內(nèi)巷道表面位移量處于急速變形階段，其間巷道變形量及變形速度較大；45～60 d 內(nèi)巷道表面位移量處于緩慢變形階段，其間巷道變形量及變形速度呈現(xiàn)緩慢增加趨勢；60 d 后巷道表面位移量處于穩(wěn)定階段，基本保持平穩(wěn)。巷道頂板、底板、左幫及右?guī)妥畲笪灰屏糠謩e達(dá)到78 mm、65 mm、103 mm、92 mm，巷道圍巖變形量得到有效控制，如圖6。

圖6 巷道圍巖變形量示意圖

5 結(jié)論

1）通過理論計算得出，一側(cè)采空時煤柱塑性區(qū)的寬度X0=8.25 m，1309 采空區(qū)與2308 工作面留有合理的煤柱寬度為32.5～48.5 m。

2）通過數(shù)值模擬得出，煤柱應(yīng)力值隨煤柱寬度的增加呈先增大后減小趨勢。當(dāng)煤柱寬度為36 m時，煤柱應(yīng)力值達(dá)到最大，呈單峰狀，沖擊風(fēng)險較大；當(dāng)煤柱寬度為40 m、44 m 時，煤柱應(yīng)力值隨煤柱寬度的增加逐漸減小，呈雙峰狀，且存在一定的彈性區(qū)域?？紤]到郭家河煤礦實際的地質(zhì)條件，合適的煤柱寬度確定為40 m。

3）巷道圍巖變形具有明顯的階段特征，可分為急速變形、緩慢變形、趨于穩(wěn)定3 個階段。圍巖變形量在60 d 左右趨近于穩(wěn)定，巷道頂板、底板、左幫及右?guī)妥畲笪灰屏糠謩e達(dá)到78 mm、65 mm、103 mm、92 mm，圍巖變形得到有效控制。