特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱合理寬度研究

孫珍平

（1．煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2．煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順，113122）

隨著礦井機(jī)械化程度的提高，煤炭產(chǎn)量和礦井開采深度不斷加大，對煤炭采出率和巷道支護(hù)技術(shù)要求越來越高，傳統(tǒng)的區(qū)段大煤柱已經(jīng)不能滿足要求，留小煤柱沿空掘巷已成為當(dāng)下發(fā)展趨勢，但是合理留設(shè)小煤柱的尺寸一直是困擾著采礦行業(yè)的難題[1-4]。國內(nèi)外許多學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐碩的成果，常聚才等[5]提出了利用現(xiàn)場實(shí)測、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬以及理論計(jì)算相結(jié)合確定小煤柱合理寬度的方法，確定了小煤柱寬度為5 m 左右。馬金寶、王勝等[6]采用鉆孔應(yīng)力監(jiān)測的方法，研究了在工作面開采前后的側(cè)向應(yīng)力分布規(guī)律，得出小煤柱合理寬度為7 m，鄭西貴、姚志剛等[7]通過理論分析、數(shù)值模擬和工程實(shí)踐等手段研究不同煤柱寬度下沿空掘巷的應(yīng)力分布情況，得出在掘巷擾動(dòng)影響下，其煤柱合理寬度大于6 m，同時(shí)考慮超前影響時(shí)，其煤柱合理寬度為8 m，韓承強(qiáng)、張開智等[8]通過現(xiàn)場觀測的方法分析了小煤柱巷道變形規(guī)律，同時(shí)利用數(shù)值方法分析了煤柱寬度變化情況下其塑性區(qū)的影響范圍，結(jié)合崔莊煤礦實(shí)際條件，確定了其合理煤柱寬度為6～8 m。以上研究均是基于煤層厚度不大于10 m 條件下的小煤柱寬度研究，同時(shí)，未對特厚煤層綜放工作面?zhèn)认蛑螒?yīng)力變化進(jìn)行詳細(xì)分析，不能從本質(zhì)上揭示應(yīng)力變化規(guī)律。以同忻礦8305 綜放工作面為研究背景，從巖層移動(dòng)特征出發(fā)，分析了特厚煤層綜放工作面?zhèn)认蛑螇毫Ψ植家?guī)律，采用以理論分析為主，數(shù)值模擬為輔的分析方法，確定特厚煤層沿空掘巷小煤柱的合理位置。

1 工作面概況

8305 綜放工作面是同忻礦第1 個(gè)小煤柱工作面，8305 工作面北東部為三盤區(qū)3 條盤區(qū)大巷，北西為8307 工作面采空區(qū)，南西至銀塘溝保護(hù)煤柱，南東為實(shí)煤區(qū)，主要開采3-5#煤層，煤層厚度7.24～19.98 m，平均厚度15 m，煤層傾角1°～2°，煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，煤層頂板為細(xì)砂巖，厚度為4.68 m，基本頂為含礫粗砂巖，厚度7.36 m，直接底為細(xì)砂巖和粉砂巖，厚度約為1.88 m，基本底為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粗砂巖和含礫粗砂巖，厚度約為5.72 m。

2 特厚煤層綜放工作面?zhèn)认驊?yīng)力分布規(guī)律

2.1 上區(qū)段采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力分布規(guī)律

5305 沿空掘巷是在8305 工作面穩(wěn)定后掘進(jìn)，因此只分析采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力分布規(guī)律。側(cè)向支承壓力主要由覆巖中懸臂梁結(jié)構(gòu)控制，在上區(qū)段采空區(qū)穩(wěn)定后，在前段受到巖體翻轉(zhuǎn)下沉產(chǎn)生的壓力和巖體本身的重量的共同作用下，采空區(qū)巖體發(fā)生滑移，形成三角滑移區(qū)[9-10]。滑移區(qū)運(yùn)動(dòng)特性表現(xiàn)為采空區(qū)一側(cè)的巖體翻轉(zhuǎn)下沉，與留設(shè)煤柱上方巖體的水平應(yīng)力存在一定聯(lián)系，在垂直方向上，其應(yīng)力分解為與采空區(qū)平行方向的應(yīng)力和下方煤巖體重力，這樣使得煤柱上的壓力減小，穩(wěn)定前、后側(cè)向支承壓力分布曲線如圖1。

圖1 8305 工作面采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力分布

從圖1 看出，采空區(qū)穩(wěn)定前后，側(cè)向支承壓力峰值有所降低，范圍有所增大，范圍增大的原因在于峰值的側(cè)向支撐影響范圍擴(kuò)大，從而導(dǎo)致采空區(qū)側(cè)向的支撐壓力影響區(qū)變大。

2.2 采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力減小趨穩(wěn)機(jī)理

當(dāng)采空區(qū)穩(wěn)定后，三角滑移區(qū)域會發(fā)生巖體破斷，使得巖體本身重力和上覆巖體翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力向采空區(qū)一側(cè)轉(zhuǎn)移，這樣可以使得側(cè)向支撐壓力降低，但是同時(shí)采空區(qū)穩(wěn)定后巖體塑性區(qū)域范圍會擴(kuò)大，較穩(wěn)定前的峰值會有所下降[11-12]。

對三角滑移區(qū)建立的力學(xué)模型如圖2。

圖2 三角形滑移區(qū)運(yùn)動(dòng)模型

在采空區(qū)穩(wěn)定后，三角滑移區(qū)會向采空區(qū)一側(cè)滑移，整體表現(xiàn)為上覆巖體以破斷區(qū)域和裂隙發(fā)育區(qū)域的邊界線為軸線發(fā)生翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向采空區(qū)，直至三角滑移區(qū)內(nèi)的破斷巖體與采空區(qū)內(nèi)已破斷巖體接觸后，這樣會在三角滑移區(qū)域形成支撐力F3和摩擦力F4，采空區(qū)對破斷塊體的支撐力F2，懸臂梁破斷塊體下方巖體對破斷巖體有支撐力F1。

在三角滑移區(qū)內(nèi)破斷巖體的重力需由留設(shè)煤柱完全承擔(dān)，但是在破斷后，其重力不需要完全由其下部巖層承擔(dān)，即只有一部分荷載傳遞至下方煤柱。高位關(guān)鍵層及其荷載也可以通過類似的方法計(jì)算。綜上分析，三角滑移區(qū)內(nèi)巖體的重力在破斷前后作用在煤柱上方的壓力降低是側(cè)向支撐應(yīng)力減小的根本所在。

3 特厚煤層綜放面沿空掘巷小煤柱寬度

從前面的分析知道，在采空區(qū)穩(wěn)定后，三角滑移區(qū)的巖體發(fā)生破斷，測向支撐壓力降低，因此對于同忻礦8305 綜放工作面來說，沿空掘巷的小煤柱應(yīng)盡量避開應(yīng)力增高區(qū)，那么，小煤柱的留設(shè)寬度至關(guān)重要，因此，將通過理論分析和數(shù)值模擬2 種方法來確定特厚煤層綜放面沿空掘巷小煤柱的寬度，保證其處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)。

3.1 理論分析

以同忻礦8305 工作面為研究背景，利用彈塑性力學(xué)理論，推導(dǎo)出8305 工作面在回采前后的側(cè)向應(yīng)力分布情況，通過計(jì)算出的應(yīng)力最大值的位置來確定小煤柱留設(shè)的寬度，這樣為8305 工作面的巷道布置提供了理論基礎(chǔ)。

為了計(jì)算方便，做以下假設(shè)[13-15]：①空間內(nèi)的煤巖體均為多孔介質(zhì)，且各向同性的彈塑性體；②對模型進(jìn)行簡化，主要研究巷道傾向方向上的垂直剖面；③符合摩爾-庫倫準(zhǔn)則；④當(dāng)煤體極限強(qiáng)度位置為極限平衡區(qū)的寬度時(shí)（x=x1），其邊界條件為：

式中：β 為煤體極限強(qiáng)度所在面的側(cè)壓系數(shù)，β=μ/（1-μ）；μ 為泊松比；α 為煤層的傾角，（°）；σx為x方向應(yīng)力，MPa；σy為y 方向應(yīng)力，MPa；σy1為煤柱的極限強(qiáng)度（即支承壓力峰值），MPa。

柱塑性區(qū)寬度計(jì)算力學(xué)模型如圖3。

圖3 煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算力學(xué)模型

根據(jù)圖3，對圖中字母表示的意義做簡要說明：M 為煤層厚度；σx、σy分別為水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力；σy1

為垂直應(yīng)力最大值；τxy為煤巖間的剪應(yīng)力；x1為極限平衡區(qū)寬度；α 為煤層傾角；px為采空區(qū)對煤柱的水平力。

根據(jù)彈塑性理論，可以得出塑性區(qū)應(yīng)力平衡方程和邊界條件：

式中：X、Y 分別為在塑性區(qū)內(nèi)煤體在x 和y 方向上的體積應(yīng)力，MPa；C0為煤層黏聚力，MPa；φ0為內(nèi)摩擦角。

聯(lián)立式（1）～式（4）可得：

將式（6）代入式（5），并進(jìn)行化簡得：

聯(lián)立式（1）、式（2）和式（7）得：

式中：A、B、B0為待定的常數(shù)；B0=B1B2；B1、B2為常數(shù)。

取整個(gè)屈服區(qū)為分離體，根據(jù)極限平衡區(qū)內(nèi)的x 方向合力為0 的特點(diǎn)得：

對變量為x1的平衡方程求導(dǎo)得：

式中：γ0為煤體應(yīng)力，MPa。

解式（10），可得：

在式（7）中令x=x1，y=M/2，與式（8）比較，得：

把x=x1，y=M/2，σy│x=x1=σy1cosα 代入上式，即求得采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值離采空區(qū)邊界的距離為：

對于近水平煤層，煤層傾角α 接近于0°，則上式簡化為：

式中：M 為煤層開采厚度，取15 m；β 為側(cè)壓系數(shù)，取0.37；φ0為煤層界面內(nèi)的內(nèi)摩擦角，取28°；C0為煤層界面中的黏聚力，取2 MPa；開采厚度為8、10、12、15 m 時(shí)塑性區(qū)內(nèi)支承壓力分布如圖4。

圖4 不同開采厚度時(shí)塑性區(qū)內(nèi)支承壓力分布

通過圖4 可以明顯的得到，塑性區(qū)域的影響范圍與一次開采厚度成正比，從圖中看出，一次開采厚度分別為8、10、12、15 m 時(shí)，對應(yīng)的塑性區(qū)影響范圍分別為20、25、30、35 m。說明隨著采厚的增大，側(cè)向支承壓力的峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，結(jié)合理論計(jì)算可以看出，38 m 煤柱使巷道處于側(cè)向支承壓力峰值下，加之超前支承壓力的影響則會是回采巷道變形嚴(yán)重。如果采用大煤柱，則煤柱的寬度至少為塑性區(qū)的2 倍，既大煤柱的寬度至少68 m 才能降低側(cè)向支承壓力的影響。

圖4 中原巖應(yīng)力在12.5 MPa 水平線時(shí)，經(jīng)計(jì)算得到開采厚度分別為8、10、12、14 m 時(shí)應(yīng)力降低區(qū)的范圍分別為12、15、18、21 m。

3.2 數(shù)值分析

根據(jù)同忻煤礦8305 綜放工作面的煤層地質(zhì)賦存條件，考慮到工作面采動(dòng)的影響范圍，應(yīng)用FLAC2D數(shù)值模擬軟件建立模型，模型的長度設(shè)置為300 m，模型左邊考慮20 m 的邊界影響區(qū)域，在數(shù)值模型中，煤層及直接頂、基本頂和直接底等巖層均按實(shí)際平均厚度來確定，整個(gè)模型高度為122.94 m，其中頂板模擬厚度為92.4 m，共分巖層10 個(gè)，煤層模擬厚度為11.17 m，底板模擬厚度為19.37 m。根據(jù)巖層的密度、厚度以及重力加速度確定模型上邊界垂直應(yīng)力，方向豎直向下，模型左右邊界水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力乘以側(cè)壓力系數(shù)，側(cè)壓力系數(shù)由巖石的泊松比決定，數(shù)值模型建立時(shí)對各巖層進(jìn)行賦值。

數(shù)值計(jì)算時(shí)并作如下假設(shè)：層狀巖體是彈塑性材料，各層為均質(zhì)連續(xù)體；開挖的動(dòng)態(tài)過程對最終應(yīng)力分布沒有影響；不考慮構(gòu)造應(yīng)力、溫度應(yīng)力以及瓦斯引起的附加應(yīng)力的影響；為了計(jì)算方便，對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕亩梢灾庇^的得到當(dāng)采空區(qū)穩(wěn)定后，其側(cè)向支承壓力的變化和分布（圖5）。

圖5 采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力分布規(guī)律

從圖5 可以看出，煤壁支撐區(qū)為支承壓力升高區(qū)，離層區(qū)為應(yīng)力降低區(qū)。采厚為15 m 時(shí)，應(yīng)力降低區(qū)的最大影響范圍為17 m，支撐壓力的最大值位于距離工作面35 m 處，其值為32.11 MPa，整個(gè)支撐壓力在距離工作面100 m 范圍內(nèi)均為其影響范圍。

綜合來看，根據(jù)理論分析結(jié)果為21 m，數(shù)值模擬結(jié)果為17 m，因此，可以認(rèn)為采空區(qū)穩(wěn)定后應(yīng)力降低區(qū)寬度為17～21 m。結(jié)合同忻礦8305 工作面的實(shí)際情況，5305 巷的巷寬為5.5 m，為了確保巷道處于應(yīng)力降低區(qū)范圍內(nèi)，因此，小煤柱的寬度不得大于11.5 m。

4 現(xiàn)場驗(yàn)證

根據(jù)同忻礦8305 工作面實(shí)際情況和上述理論分析與數(shù)值模擬的結(jié)果綜合分析，將小煤柱寬度定為6 m，為了驗(yàn)證上述結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過礦壓觀測的手段對巷道變形進(jìn)行分析，在5305 巷距切眼100 m 范圍內(nèi)，每20 m 設(shè)置1 個(gè)測點(diǎn)，以開切眼位置為1#測點(diǎn)，共計(jì)6 個(gè)測點(diǎn)。每個(gè)測點(diǎn)都設(shè)置了1 套頂板離層監(jiān)測儀和1 套頂?shù)装逦灰朴?jì)。通過3 個(gè)月的觀測，得出了各測點(diǎn)頂?shù)装逡平孔兓闆r（圖6）。

由圖6 可以發(fā)現(xiàn)，6 個(gè)測點(diǎn)的變化曲線圖走勢基本吻合，隨著工作面的推進(jìn)，測點(diǎn)的巷道高度發(fā)生變化，頂?shù)装逡平吭诓粩嘣龃螅?dāng)測點(diǎn)距離工作面距離較遠(yuǎn)時(shí)，巷道高度慢慢穩(wěn)定，不再發(fā)生變化，即頂?shù)装逡平坎辉侔l(fā)生變化。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)測點(diǎn)滯后工作面10～15 m，巷道高度開始降低，但是變化幅度較小，當(dāng)測點(diǎn)滯后工作面距離為120～160 m 范圍內(nèi)，巷道高度變化趨勢明顯增大，即頂?shù)装逡平吭龇鶆×遥?dāng)測點(diǎn)滯后工作面250～260 m 以外時(shí)，巷道高度趨于穩(wěn)定，此時(shí)頂?shù)装逡平繋缀醪辉僭黾印?shù)據(jù)顯示，1#～6#測點(diǎn)最大頂?shù)装逡平繛?.38～0.44 m。總體來看，5305 巷變形較小，小煤柱留設(shè)較合理，效果較好，小煤柱最大寬度11.5 m，能滿足工作面安全生產(chǎn)需要，同時(shí)提高了煤炭回收率。

圖6 測點(diǎn)頂?shù)装逡平孔兓€

5 結(jié) 論

1）根據(jù)巖層移動(dòng)理論，利用巖層三角形滑移區(qū)運(yùn)動(dòng)特征，分析了采空區(qū)穩(wěn)定前后側(cè)向支撐壓力的分布規(guī)律，得出三角滑移區(qū)內(nèi)巖體的重量在破斷前后作用在煤柱上方的壓力降低是側(cè)向支撐應(yīng)力減小的根本所在。

2）在理論分析的前提下，依托同忻礦8305 工作面的實(shí)際條件，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件分析得出采空區(qū)穩(wěn)定后應(yīng)力降低區(qū)寬度為17～21 m。從而將特厚煤層綜放沿空掘巷小煤柱最大寬度確定為11.5 m，并利用礦壓觀測的手段進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證，得出5305 巷變形較小，小煤柱留設(shè)較合理，效果較好，小煤柱最大寬度11.5 m，能滿足工作面安全生產(chǎn)需要，同時(shí)提高了煤炭回收率，為類似條件下的沿空巷道小煤柱合理尺寸的確定提供了有益借鑒。