淺埋煤層沿空掘巷煤柱尺寸優(yōu)化研究

宋永起

（山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590）

近年來(lái)，沿空掘巷小煤柱護(hù)巷技術(shù)在我國(guó)各大礦區(qū)得到普遍應(yīng)用[1-3]。在掘巷過(guò)程中，合理的煤柱尺寸是保證巷道穩(wěn)定性和安全性的重要因素[4-6]。楊家村煤礦原采用留15 m 大煤柱的方式布置巷道，亟需對(duì)5 煤層沿空掘巷區(qū)段煤柱寬度進(jìn)行合理優(yōu)化。

1 工程背景

楊家村煤礦5 號(hào)煤層平均埋深250 m 左右，平均厚度2.07 m，屬淺埋中厚煤層。頂?shù)装鍘r性如圖1。

圖1 5 煤層頂?shù)装鍘r性柱狀圖

2 煤柱合理寬度理論計(jì)算

2.1 沿空掘巷煤柱支護(hù)理論依據(jù)

煤層開(kāi)采以后，工作面上方的直接頂巖層隨之垮落。將工作面上方直接頂、基本頂和上方巖層看作傳遞巖梁，基本頂和上方巖層之間產(chǎn)生離層，工作面前方的基本頂、直接頂和上方巖層則未離層。工作面采用沿空掘巷留小煤柱護(hù)巷時(shí)，沿空巷道位于直接頂和基本頂斷裂產(chǎn)生的三角塊下方，此時(shí)煤柱處于側(cè)向支承壓力降低區(qū)。沿空掘巷巖層結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 沿空掘巷巖層結(jié)構(gòu)圖

2.2 合理煤柱寬度理論計(jì)算

根據(jù)5 煤層的具體開(kāi)采條件和參數(shù)，采用圍巖極限平衡強(qiáng)度計(jì)算法和彈性核理論計(jì)算法對(duì)留設(shè)煤柱尺寸進(jìn)行理論計(jì)算。

2.2.1 圍巖極限平衡強(qiáng)度計(jì)算法

極限平衡法依靠錨桿或錨索等工具的極限錨固作用，將煤柱尺寸控制在盡可能小的范圍內(nèi)，在保證巷道穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提高煤炭的采出率。根據(jù)巷道兩側(cè)煤體應(yīng)力分布規(guī)律以及圍巖極限平衡理論，結(jié)合圖3 所示的計(jì)算簡(jiǎn)圖，通過(guò)公式（1）、（2）計(jì)算得出合理的區(qū)段煤柱寬度B：

圖3 合理煤柱寬度計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中：x1為相鄰工作面回采后煤柱內(nèi)的塑性區(qū)寬度，m；m為煤層開(kāi)采高度，2.5 m；A為煤層側(cè)壓系數(shù)，0.5；φ為煤體內(nèi)摩擦角，27.3°；C0為煤體內(nèi)黏聚力，1.41 MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)，2；H為巷道埋深，250 m；ρ為巖層的平均密度，2.4 t/m3；P0為來(lái)自相鄰工作面區(qū)段平巷的支護(hù)阻力，取P0=0；x2為錨固區(qū)長(zhǎng)度，2.88 m；x3為安全系數(shù)，x3=K（x1+x2）=0.74～1.72 m；K為穩(wěn)定性系數(shù)，0.15～0.35。

2.2.2 彈性核理論計(jì)算法

根據(jù)彈性核理論，煤柱中部應(yīng)有彈性區(qū)，用于分隔兩側(cè)的塑性區(qū)，彈性區(qū)的寬度應(yīng)該不小于兩倍煤層采高[7]。因此，煤柱寬度由煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)和彈性區(qū)三部分構(gòu)成，根據(jù)公式（3）可以計(jì)算出煤柱的合理寬度：

式中：X1為上區(qū)段工作面開(kāi)采在煤柱中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m；X3為煤柱靠近巷道一側(cè)應(yīng)力作用下形成的塑性區(qū)寬度，m。

根據(jù)以上討論及計(jì)算，合理煤柱尺寸為7.73 m。

綜上所述，通過(guò)極限平衡理論和彈性核理論所得5 煤層區(qū)段護(hù)巷煤柱的合理寬度為5.6～7.73 m。

3 煤柱寬度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬

3.1 區(qū)段煤柱沿空掘巷的模型設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

根據(jù)巷道邊界條件和5 煤層的頂、底板情況，建立x·y·z=200 m×120 m×40 m 的FLAC3D模型。設(shè)置數(shù)值模型在前后面、左右面以及下面均為固定邊界，且無(wú)水平方向位移，即Sx=Sy=0。自模型上方施加垂直方向應(yīng)力，應(yīng)力大?。篜=5.25 MPa。

本次模擬根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果5.6～7.7 m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)為保證安全應(yīng)用的可行性，增加寬度至10 m。在考慮均勻取值的前提下，為方便模型建立和計(jì)算，取煤柱寬度5 m、7.5 m 和10 m 三個(gè)方案進(jìn)行模擬。數(shù)值模擬模型如圖4。

圖4 數(shù)值模擬模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

如圖5 所示，當(dāng)煤柱尺寸從5 m 到10 m 變化過(guò)程中，垂直應(yīng)力的最大峰值慢慢增大，這表明隨著5 煤層區(qū)段煤柱寬度的增加，其能夠承載的最大垂直應(yīng)力也逐漸增加，即區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性也整體趨向于增加。與此同時(shí)，隨著區(qū)段煤柱寬度的增加，其水平應(yīng)力的集中程度和影響范圍都呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，當(dāng)留設(shè)的區(qū)段煤柱寬度為7.5 m 時(shí)，應(yīng)力集中程度和影響范圍最小。

圖5 不同尺寸的煤柱圍巖應(yīng)力分布圖

結(jié)合上文理論計(jì)算和FLAC3D數(shù)值模擬的結(jié)果綜合分析，確定5 煤層的沿空掘巷區(qū)段煤柱寬度為7.5 m。

4 煤柱尺寸優(yōu)化結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的有效性，通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選取試驗(yàn)段巷道進(jìn)行頂板離層數(shù)據(jù)觀測(cè)。在距離工作面10 m、35 m、60 m、85 m 處分別布置觀測(cè)斷面進(jìn)行觀測(cè)，巷道頂板離層量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系如圖6。

圖6 試驗(yàn)巷道頂板離層量圖

由圖6 中可看出，開(kāi)始觀測(cè)時(shí)距工作面較遠(yuǎn)，離層量較小，當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)距工作面10 m 左右時(shí)，巷道頂板離層量開(kāi)始顯著增加。隨著距工作面距離的逐漸減小，巷道頂板離層量不斷增大，頂板累計(jì)離層量最大達(dá)到51 mm，7.5 m 護(hù)巷煤柱的支護(hù)效果較好，能夠使圍巖得到有效控制。

5 結(jié)論

針對(duì)楊家村煤礦5 煤層的賦存特點(diǎn)和開(kāi)采技術(shù)條件，通過(guò)分析及模擬方法，確定該沿空巷道區(qū)段煤柱的合理煤柱尺寸為7.5 m。經(jīng)試驗(yàn)，優(yōu)化后的煤柱寬度能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)要求。