綜采工作面巷道護(hù)巷煤柱留設(shè)尺寸研究

劉 偉

(山西省晉城市陽城縣 應(yīng)急管理局，山西 陽城 048100)

隨著近些年我國煤炭開采逐漸向深部發(fā)展，回采巷道受到高應(yīng)力的影響，出現(xiàn)了巷道圍巖變形嚴(yán)重、護(hù)巷煤柱破壞等現(xiàn)象[1-2]。護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性對巷道圍巖整體穩(wěn)定性有著極大的影響[3]。在巷道掘進(jìn)或工作面回采過程中應(yīng)力發(fā)生重新分布，在護(hù)巷煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布范圍將發(fā)生變化，當(dāng)護(hù)巷煤柱留設(shè)尺寸不合理，在掘進(jìn)或回采過程中將發(fā)生失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)[4-5]。本文以西河煤礦3號煤層工作面回采巷道護(hù)巷煤柱留設(shè)為背景，通過理論計算和數(shù)值模擬的方法科學(xué)確定合理的護(hù)巷煤柱尺寸。

1 工程概況

西河煤礦主采3號煤層，3號煤層位于山西組中下部，煤層賦存不穩(wěn)定，其中二盤區(qū)煤層厚度3.5～5.1 m，平均厚度4.5 m，傾角1～3°，煤層直接頂為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度4.5 m；基本頂為灰色細(xì)砂巖、泥巖互層，平均厚度17.33 m；直接底為泥巖或炭質(zhì)泥巖互層，平均厚度4.3 m。

3207和3208是鄰近工作面，位于該礦3號煤二盤區(qū)，3208工作面還未布置。3207工作面正在回采，設(shè)計采高4.5 m，工作面長度270 m，推進(jìn)長度1 100 m。工作面布置三條巷道，膠帶巷、輔運巷及回風(fēng)巷。工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 3207工作面巷道位置關(guān)系

3207工作面膠帶巷和輔運巷之間護(hù)巷煤柱留設(shè)12 m，在工作面回采過程中，煤柱片幫嚴(yán)重，不得不采取補(bǔ)打錨桿、錨索的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，不但增加了巷道的維護(hù)成本，而且不利于礦井的安全生產(chǎn)，因此必須對巷道煤柱留設(shè)尺寸進(jìn)行科學(xué)的選擇。

2 煤柱尺寸的理論計算

當(dāng)煤柱一側(cè)采空時，采空區(qū)周圍煤柱(體)處于彈性變形狀態(tài)，煤柱(體)應(yīng)力σy分布如圖2中曲線1所示，σy隨與采空區(qū)邊緣之間距離增大，按負(fù)指數(shù)曲線關(guān)系衰減。在高應(yīng)力作用下，從煤柱(體)邊緣到深部，都會出現(xiàn)破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)。彈塑性變形狀態(tài)下，煤柱(體)垂直應(yīng)力σy分布如圖2中曲線2所示。

圖2 煤柱(體)的垂直應(yīng)力分布

圖中Ⅰ區(qū)域為破裂區(qū)，受采動影響該區(qū)域范圍內(nèi)的煤柱率先發(fā)生擾動破壞；Ⅱ區(qū)域為塑性區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的煤體一直承受較高的集中應(yīng)力，隨著采動影響及時間的推移將變成新的破裂區(qū)域；Ⅲ區(qū)域為彈性區(qū)應(yīng)力升高部分，該區(qū)域是由于煤體邊緣發(fā)生破壞后導(dǎo)致集中應(yīng)力整體向后遷移，應(yīng)力交原巖應(yīng)力有所升高；Ⅳ區(qū)域為原巖應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域并未受到采動影響，仍然保持原始的應(yīng)力狀態(tài)。

煤柱的承載能力，隨著遠(yuǎn)離煤柱邊緣而明顯增長。在距離煤柱邊緣一定寬度范圍內(nèi)，煤柱的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態(tài)。運用巖體的極限平衡理論，可以計算出塑性區(qū)寬度，即支承壓力峰值與煤柱邊緣之間的距離x0為：

(1)

根據(jù)煤柱塑性理論，使煤柱穩(wěn)定的前提必須保證彈性核寬度為煤層采高的2倍。根據(jù)此理論煤柱合理寬度為：

B=x0+2M+x1

(2)

式(2)中：

(3)

對于西河煤礦，M=4.5 m，φ=23°，H=150 m，γ=25 kN/m2,K=2，C=800 kPa，代入上述公式計算得出：x0=1.9 m，x1=3.39 m，B=14.29 m。

3 數(shù)值模擬分析

針對3207工作面具體情況，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，模擬工作面推進(jìn)150 m時，工作面前后一定范圍內(nèi)護(hù)巷煤柱屈服破壞情況及受力情況，從而確定合理的煤柱留設(shè)尺寸。

圖3為工作面推進(jìn)到150 m時，工作面前方20 m，10 m和滯后工作面20 m，50 m，80 m、110 m時護(hù)巷煤柱破壞情況。由圖3可知，隨著工作面推進(jìn)，巷旁護(hù)巷煤柱會受到一定的擾動破壞，尤其在工作面推過一段時間后，護(hù)巷煤柱破壞會逐漸增大，直至趨于穩(wěn)定。工作面前方煤柱受到工作面采動影響較小，滯后工作面煤柱破壞嚴(yán)重，尤其是頂板巖層，破壞逐漸向煤柱深部發(fā)展；滯后工作面110 m時的護(hù)巷煤柱破壞與滯后80 m時的破壞差別不大已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

圖3 距工作面不同距離處護(hù)巷煤柱破壞情況

圖4為工作面推進(jìn)到150 m時，工作面前方20 m，10 m和滯后工作面20 m，50 m，80 m、110 m時護(hù)巷煤柱側(cè)向垂直應(yīng)力分布曲線。由圖4可知，護(hù)巷煤柱側(cè)向應(yīng)力隨距離煤柱邊緣距離的增加，先增大后降低并逐漸趨于穩(wěn)定。距工作面不同距離側(cè)向應(yīng)力峰值變化不大，集中在距煤柱邊緣2.5～3.5 m之間，峰值至距煤柱邊緣10 m側(cè)向應(yīng)力逐漸降低，該區(qū)域?qū)儆趶椥詰?yīng)力增高區(qū)；距煤柱邊緣10～15 m位置，應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)距煤柱邊緣15 m以后應(yīng)力已經(jīng)恢復(fù)到原巖應(yīng)力。

圖4 距煤柱不同距離處側(cè)向垂直應(yīng)力分布曲線

因此，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)合理論計算結(jié)果，3207工作面巷道護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度為15 m較為合適。

4 工程應(yīng)用

3208工作面同樣布置三條巷道，采用兩進(jìn)一回的通風(fēng)方式，在布置3208工作面時，膠帶巷和輔運巷之間護(hù)巷煤柱留設(shè)為15 m，并在工作面回采期間對巷道整體變形量進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果如圖5所示。巷道頂板圍巖變形量隨工作面不斷推進(jìn)，逐漸增大，當(dāng)工作面推過80 m后開始趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在110 mm左右；兩幫圍巖變形量也隨工作面不斷推進(jìn)而逐漸增大，當(dāng)工作面推過80 m后開始趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在58 mm左右；現(xiàn)場觀察非回采幫煤僅僅存在輕微片幫，較3207工作面護(hù)巷煤柱狀態(tài)明顯好轉(zhuǎn)，充分說明， 3號煤層工作面護(hù)巷煤柱選擇15 m科學(xué)合理。

圖5 巷道圍巖變形量隨工作面變化

5 結(jié) 語

1) 通過建立煤柱受力力學(xué)模型，分析了煤柱的整體受力特征，并理論計算出了巷道護(hù)巷煤柱留設(shè)最佳寬度應(yīng)為14.39 m。

2) 通過數(shù)值模擬得出，隨著工作面推進(jìn)，巷道護(hù)巷煤柱會受到一定的擾動破壞，尤其在工作面推過一段時間后，護(hù)巷煤柱破壞會逐漸增大，直至趨于穩(wěn)定。工作面推過80 m后，煤柱狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

3) 護(hù)巷煤柱側(cè)向應(yīng)力隨距離煤柱邊緣距離的增加，先增大后降低并逐漸趨于穩(wěn)定，并得出了煤柱各應(yīng)力區(qū)域的范圍。

4) 根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用和實測，3208工作面留設(shè)15 m護(hù)巷煤柱后，煤柱破壞明顯減弱，巷道圍巖穩(wěn)定。