厚煤層沿空巷道合理煤柱寬度留設(shè)及圍巖控制研究

陳晉超

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

西山煤電馬蘭礦18506工作面位于-910m水平南五采區(qū)，主采8#煤層，煤層厚度3.80～4.80m，均厚4.43m，煤層平均傾角4°，含有2層夾矸。煤層直接頂為L1泥灰?guī)r，均厚2.32m；基本頂為粉砂巖，均厚2.33m；直接底為粉砂質(zhì)泥巖，均厚0.97m；基本底為粉砂巖，均厚3.60m。18506工作面采用一次采全高開采，設(shè)計(jì)采高3.8m，全部垮落法管理頂板。18506工作面輔運(yùn)巷西北側(cè)為18504采空區(qū)。

2 沿空巷道合理煤柱寬度的確定

為探求18506工作面輔運(yùn)巷與18504工作面采空區(qū)之間的合理煤柱寬度，通過綜合運(yùn)用載荷估算法、塑性區(qū)理論計(jì)算法及數(shù)值模擬法對煤柱的合理寬度進(jìn)行具體分析，以此尋求合理的煤柱留設(shè)寬度。

2.1 載荷估算法

該方法認(rèn)為區(qū)段煤柱所承受的載荷主要來自煤柱上方巖層重量和采空區(qū)側(cè)沿傾向的上覆巖層的重量兩個(gè)方面[1-2]，其表達(dá)式如下：

式中：

D-區(qū)段煤柱一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)的寬度，m；

B-區(qū)段煤柱的寬度，m；

γ-煤柱上覆巖層的密度，kg/m3；

φ-煤柱上覆巖層自然狀態(tài)下的垮落角度，°。

在保證煤柱上方所受的應(yīng)力小于等于煤柱所能承受的極限強(qiáng)度時(shí)，能夠得出煤柱臨界寬度B的表達(dá)式為：

式中：

Rc-煤的單軸抗壓強(qiáng)度，取為7.26MPa；

h-煤柱的高度，取為3.0m；

R-煤柱的極限強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)18506工作面的地質(zhì)資料，取D=2258.3m，H=400m，φ=45 °，γ=25kN/m3，Rc=7.26MPa，將上述數(shù)據(jù)帶入式（2）能夠得出煤柱寬度為B=14m，取為15m。

2.2 塑性區(qū)理論計(jì)算法

由于18506工作面與18504工作面之間煤柱寬度的留設(shè)需考慮相鄰回采巷道開挖及一側(cè)采空區(qū)回采的影響，故運(yùn)用塑性區(qū)理論計(jì)算法分析煤柱的合理寬度較為合理，該法煤柱寬度B的計(jì)算表達(dá)式為[3-4]：

式中x0、x1的表達(dá)式如下：

式中：

B-區(qū)段煤柱寬度，m；

x1-回采巷道開挖后煤柱內(nèi)部塑性區(qū)分布，m；

x0-采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi)得塑性區(qū)寬度，m；

M2-采煤高度，m；

C-煤體內(nèi)部黏聚力，MPa；

2M2-區(qū)段煤柱的彈性核區(qū)寬度，m；

φ-煤體內(nèi)部內(nèi)摩擦角，°；

f0-煤層與巖層間的摩擦因數(shù)；

α與k-Mises準(zhǔn)則中的相關(guān)系數(shù)；

ξ-三軸應(yīng)力系數(shù)。

根據(jù)8#煤層的地質(zhì)資料，取M2=3m，φ=27 °，ξ=（1+sinφ）/（1-sinφ）=2.64，f0=0.5，K=2.8，C=0.45MPa，γ=25kN/m3，H=400m，據(jù)此能夠算出x0=4.0m，x1=10m。再將上述帶入式（3）能夠計(jì)算得出煤柱寬度B=20m。

2.3 數(shù)值模擬分析法

根據(jù)18506工作面的地質(zhì)條件及巖層賦存條件，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立18506工作面與18504工作面間區(qū)段煤柱的數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬分別對煤柱寬度為10m、15m、19m及23m時(shí)煤柱內(nèi)部塑性區(qū)的分布特征進(jìn)行具體分析，具體18504工作面回采后煤柱塑性區(qū)分布如圖1所示。

圖1 4種煤柱寬度時(shí)塑性區(qū)的分布

通過分析圖1可知，當(dāng)煤柱寬度為10m時(shí)，18504工作面回采后，煤柱內(nèi)部塑性區(qū)域已經(jīng)完全貫通，頂板巖層塑性區(qū)域范圍擴(kuò)延程度明顯，底板塑性區(qū)也逐漸出現(xiàn)擴(kuò)延；當(dāng)煤柱寬度為15m時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)部的塑性區(qū)域的分布也已經(jīng)全部貫通，但相對10m煤柱時(shí)，塑性區(qū)域的擴(kuò)展范圍相對減小，此時(shí)18506工作面輔運(yùn)巷由于變形量過大已經(jīng)無法正常使用；當(dāng)煤柱寬度為19m時(shí)，煤柱內(nèi)屈服區(qū)域大幅降低，煤柱下方底板基本無塑性區(qū)發(fā)育，18506輔運(yùn)巷周圍塑性區(qū)范圍較小，能夠保證巷道的穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度為23m時(shí)煤柱內(nèi)塑性區(qū)域的范圍進(jìn)一步縮小，煤柱底板同樣無塑性區(qū)發(fā)育。綜合上述分析，同時(shí)基于確保區(qū)段煤柱穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)的角度考慮，煤柱的合理寬度留設(shè)范圍為19～23m。

綜合上述分析，并結(jié)合18506工作面的具體地質(zhì)情況，最終確定合理的煤柱留設(shè)寬度為19m。

3 沿空巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)參數(shù)

為保證留設(shè)19m煤柱下，18506工作面輔運(yùn)巷在18504工作面回采完畢后，18506工作面進(jìn)行回采工作時(shí)巷道的穩(wěn)定性，在對巷道圍巖的力學(xué)特征及巖層的賦存狀況進(jìn)行分析后，提出具體的支護(hù)方案。

18506工作面輔運(yùn)巷斷面為矩形，高為2900mm，寬為5000mm，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)。頂板錨桿采用左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，尺寸參數(shù)為 Φ20×2500mm，間排距為900×900mm；頂板錨索采用Φ21.6×10200mm的鋼絞線，間排距為1800×2700mm；兩幫錨桿采用左旋螺紋鋼錨桿，尺寸參數(shù)為Φ18×2000mm，間排距為800×800mm。具體巷道支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

圖2 18506工作面輔運(yùn)巷支護(hù)斷面圖

3.2 應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證巷道支護(hù)參數(shù)及煤柱留設(shè)寬度的合理性，在18506工作面回采期間，分別在距離工作面110m和240m的位置布置礦壓監(jiān)測站，對巷道的支護(hù)受力情況及巷道的表面位移情況進(jìn)行監(jiān)測分析。

（1）巷道支護(hù)受力特征分析

根據(jù)礦壓觀測結(jié)果所得數(shù)據(jù)，繪制出頂板及煤柱幫錨桿（索）受力狀態(tài)—時(shí)間曲線圖，頂板及護(hù)巷煤柱幫的錨桿（索）受力曲線圖如圖3所示。

圖3 18506輔助巷錨桿（索）受力狀態(tài)

根據(jù)錨桿的受力特征得知，在工作面推進(jìn)11d，頂板錨桿的受力狀態(tài)略有增幅，錨索的受力狀態(tài)呈現(xiàn)水平狀態(tài)；在16～23d期間，錨桿（索）的受力狀態(tài)均以較平緩的趨勢上升；在工作面推進(jìn)36～47d時(shí)，距工作面110m的測點(diǎn)錨索受力呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，錨桿受力出現(xiàn)小范圍波動，距工作面150m錨索呈現(xiàn)近似水平的趨勢，錨索受力呈現(xiàn)緩慢增長，頂板錨桿的最大受力為30kN，錨索的最大受力為40kN。綜合上述分析可知，18506工作面輔運(yùn)巷頂板圍巖受到本工作面回采影響較小，頂板圍巖穩(wěn)定。

在工作面推進(jìn)11d時(shí)，護(hù)巷煤柱幫錨桿的軸向力也在相應(yīng)的緩慢增長；在工作面推進(jìn)約15d時(shí)，錨桿兩測點(diǎn)的軸力上升到35kN、14kN；當(dāng)工作面推進(jìn)約44d時(shí)，巷道錨桿受力特征呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但從總體看幫部錨桿的受力狀態(tài)較為平緩，煤柱幫錨桿的最大軸向力為50kN，這便表明18506工作面輔運(yùn)巷在19m護(hù)巷煤柱寬度與現(xiàn)有支護(hù)下受本工作面采動影響程度低，巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）巷道表面位移

在距工作面150m的位置處布置測站監(jiān)測巷道表面位移，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠得出巷道表面位移量—距工作面距離曲線圖，曲線圖如圖4所示。

圖4 18506工作面回采期間測點(diǎn)巷道圍巖變形量

隨著18506工作面的推進(jìn)，測點(diǎn)圍巖的變形量均在采動影響下逐漸增大。將巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平拷苿澐譃槿齻€(gè)階段，即測站距工作面70m以上圍巖變形量處于穩(wěn)定階段，當(dāng)距工作面40～70m時(shí)，巷道圍巖變形量開始緩慢增長，當(dāng)距工作面0～40m時(shí)巷道圍巖變形量快速增長。在18506工作面回采期間，輔運(yùn)巷最大頂?shù)装逡平繛?75mm，最大兩幫移近量為245mm。據(jù)此能夠得知18506工作面輔運(yùn)巷在19m護(hù)巷煤柱和現(xiàn)有支護(hù)方式下巷道圍巖變形量不大，變形量能夠滿足回采巷道的使用要求。

4 結(jié)論

（1）通過綜合運(yùn)用載荷分析法、塑性區(qū)理論計(jì)算法及數(shù)值模擬分析法對18504工作面與18506工作面之間區(qū)段護(hù)巷煤柱的合理寬度進(jìn)行分析，最終確定合理的煤柱留設(shè)寬度為19m。

（2）根據(jù)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)得知，在18506工作面回采期間，輔運(yùn)巷錨桿（索）的受力在合理范圍內(nèi)，巷道頂?shù)装逑鄬σ平孔畲鬄?75mm，兩幫最大移近量為245mm，據(jù)此可知18506工作面輔運(yùn)巷在19m護(hù)巷煤柱和現(xiàn)有支護(hù)方式下巷道圍巖變形量合理，滿足回采巷道的使用要求。