礦井下山護巷煤柱合理尺寸選取

馮國龍

(汾西礦業集團賀西煤礦安，山西 柳林 033300)

1 工程概況

3402工作面所在煤層為3煤，位于34采區南翼，開采下二疊統山西組3(3上)煤層。工作面走向長(兩巷平均)1 408 m，傾斜長225 m～230 m，面積330 933.4 m2，工作面平均煤厚8.5 m，可采儲量306萬t。該工作面北東為3402工作面，北西為-650大巷保護煤柱，南西為未開采區，南為DF64斷層及3(3上)煤層風氧化帶。該區段總體呈單斜構造，傾向北西，煤(巖)層傾角4°～26°，平均傾角9°。地面位置：位于昭陽湖里，地表標高+31.71 m～+32.52 m，地表水深2 m～6 m，與井下無水力聯系。

3煤厚度7.1 m～10.1 m，平均8.5 m。3煤特點為：黑色，塊狀，玻璃光澤、油脂光澤，細、寬條帶狀結構，階梯狀、參差狀斷口，外生裂隙發育，煤巖成份以暗煤為主，亮煤次之，少量鏡煤條帶，煤巖類型屬暗淡型或半暗型，3煤層工業牌號為氣煤，特低硫，低磷，高揮發分。局部含深灰色泥巖夾矸，夾矸厚度不穩定，約0.1 m～2.5 m。煤層堅固性系數(普氏硬度系數)f=0.83～0.99。

3煤直接頂為泥巖，厚度一般為0.6 m～2.6 m，平均1.4 m。黑色，巨厚層狀，致密、性脆，貝殼狀斷口，具垂直裂隙，未充填，含黃鐵礦薄膜或結核及少許葉片化石。巖層堅固性系數(普氏硬度系數)f=3.77。

基本頂為細砂巖，厚度一般為0.4 m～5.2 m，平均3.0 m。3煤直接底為泥巖，厚度一般為1.2 m～4.0 m，平均2.4 m。基本底為細砂巖，厚度一般為2.4 m～6.6 m，平均3.9 m。

該區段總體呈單斜構造，傾向北西，煤(巖)層傾角4°～26°，平均傾角9°。3402工作面預計將依次揭露4條斷層，斷層附近伴生隱伏次級斷層，煤巖層松軟、破碎，易冒落，斷層均不導水。

3402工作面最大瓦斯絕對涌出量為0.85 m3/min，相對涌出量為0.43 m3/t，二氧化碳絕對涌出量為1.10 m3/min，相對涌出量為0.55 m3/t。

3煤頂板砂巖含水層平均厚度22 m，底板砂巖含水層平均厚度6.5 m，賦水不均一，有少量涌水。在該區段內，侏羅系底部礫巖下距3煤層頂板約20 m～80 m。該含水層對巷道正常施工無影響。

巷道斷面圖見圖1，工作面位置圖見第94頁圖2。

圖1 巷道斷面圖(單位：mm)

2 下山巷道間煤柱寬度選取

2.1 彈塑性計算

-650軌道下山、-650膠帶下山、-650人行

圖2 3402工作面位置圖

下山為穿層掘進，巖層為中硬巖層，采用直墻半圓拱斷面，巷道斷面圖如圖3。錨桿、掛網、噴漿聯合支護，噴漿厚度為10 cm，φ=22°，c=2.3 MPa，γ=24.4 kN/m3，埋深平均615 m。

圖3 等效斷面圖

根據巷道斷面尺寸，由式(1)計算-650人行下山、-650軌道下山、-650膠帶下山外接圓半徑[1-3]。

(1)

由式(2)計算-650人行下山、-650軌道下山、-650膠帶下山塑性區半徑[4]。

(2)

則：

根據以上計算可知，-650人行下山與-650軌道下山間的煤柱寬度只要不小于18.1 m，-650軌道下山與-650膠帶下山間的煤柱寬度只要不小于17.5 m，就能夠完全滿足礦山壓力要求[5-6]。

2.2 數值模擬

數值模擬結果如圖4。圖4數據表明，當兩巷道間煤柱寬度為20 m時，煤柱應力峰值大小及距巷幫距離基本穩定，受相鄰巷道的影響較小，巷道間煤柱寬度在此范圍時能夠保證巷道的穩定。模擬結果比彈塑性計算結果稍寬，這是由于彈塑性計算沒考慮彈模的軟化造成的。

圖4 垂直應力系數圖

在實際生產中，煤柱寬度的選取應在彈塑性計算的基礎上乘以安全系數，并適當地加寬。-650人行下山與-650軌道下山間、-650軌道下山與-650膠帶下山間的煤柱寬度均為25 m，能夠滿足巷道圍巖穩定的要求。

3 下山巷道與采場間煤柱寬度選取

1) 模型的建立

2) 數值模擬分析

在回采不同距離時，得到下山巷道兩幫和頂底板的位移變化曲線和兩幫、項底板移近量變化曲線，如第95頁圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以得到以下結論：

a) 當回采距離為140 m時，此時，回采工作面距巷道水平距離為120 m，巷道兩幫和頂底板的移近量開始明顯增大，兩幫移近量由24 mm增大到25 mm，頂底板移近量由29.95 mm增大道30.50 mm；

b) 當回采工作面距巷道水平距離為120 m時，煤層回采可能會對上山巷道產生較大影響。此時，應

圖5 巷道兩幫和頂底板的位移變化曲線

圖6 巷道兩幫和頂底板移近量變化曲線

設置停采線，留取護巷煤柱寬度，建議寬度為120 m。

4 監測分析

在-650膠帶下山設置5個觀測站，每個觀測站設置4個測點，5個測站依次標號為1#測站、2#測站、3#測站、4#測站、5#測站，各監測站相距70 m。監測儀器選用JSS30A型伸縮式數顯收斂計，JSS30A測量位移精度較高，能達到0.1 mm，適用于測量煤礦井下巷道圍巖周邊任意方向兩點間的距離變化。測站布置具體如圖7。

圖7 巷道表面位移監測站布置

隨著工作面向前掘進，巷道變形速度、變形量都發生變化。通過對-650膠帶下山監測站各監測點的監測，將監測數據進行處理，確定不同的位移變化區段。

綜合分析，-650膠帶下山各點表面位移變形規律：

1) 1#～5#觀測站在這條巷道內，1#和5#觀測站附近所在位置有滴水，立交位置所在巷道斷面采用U型鋼支護，巷道有漿皮掉落現象。

2) 1#、2#觀測站所在位置巷道的變形不嚴重，2#～4#觀測站變化較大，從巷道內大片掉落的矸石可以宏觀反映，頂底的移近速度大于兩幫。

3) 從以上的實測數據分析可知，保留125 m煤柱可以有效地降低巷道變形速度，控制巷道圍巖變形，大大減弱了巷道受上方支承壓力和工作面采動的影響，保留125 m煤柱是合理的，與數值模擬計算保留120 m煤柱相吻合。

5 結論

文中結合數學模型計算及FLAC3D數值模擬的結果，最終確定礦井-650采區下山巷道間煤煤柱寬度為25 m，巷道與采場問煤柱寬度為135 m。實踐應用表明，該方法分析結果可靠，實用性較強，為巷道護巷煤煤柱寬度的選取提供了科學的決策依據。