小保當(dāng)煤礦保護(hù)煤柱尺寸的研究

何 沐

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京100120）

1 概述

小保當(dāng)一號(hào)井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1500 萬t/a，主要可采煤層2-2 煤，屬近水平煤層，煤層厚度平均6.0 m，煤層傾角平均1°，埋深平均350m, 工作面長度350m，順槽長度6000m 左右，采煤方法為一次采全高。112201 工作面是小保當(dāng)一號(hào)井的首采面，兩側(cè)均為實(shí)體煤，巷道與2-2 煤西翼回風(fēng)大巷相連，112201工作面布置四條順槽巷道，膠運(yùn)順槽、輔運(yùn)順槽和兩條回風(fēng)順槽，巷道尺寸為6.0×4.4m,大巷及工作面布置圖見圖1。

圖1 小保當(dāng)煤礦巷道及回采工作面布置圖

小保當(dāng)煤礦由于工作面采用雙U 通風(fēng)方式，在回采巷道間存在保護(hù)煤柱，煤柱的大小直接影響了大斷面巷道的支護(hù)參數(shù)，因此需要提前確定回采巷道的煤柱尺寸，并且巷道尺寸較大，為了提高煤炭回采率，確保工作回采期間巷道的安全，需要合理的確定回采巷道之間的保護(hù)煤柱，以及回采巷道的支護(hù)方式，為以后巷道的支護(hù)提供合理的參考依據(jù)[1,2]。

2 煤柱尺寸理論計(jì)算

通過分析可知，最小的煤柱寬度應(yīng)該是由煤柱的兩側(cè)的塑性區(qū)加上中部的核心區(qū)寬度，用公式（1）表達(dá)為：

式中：B 為區(qū)段煤柱寬度，m；x1和x3分別為煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)寬度，m；x2為核區(qū)寬度，m。

采空區(qū)一側(cè)的塑性寬度我們有相應(yīng)的計(jì)算公式，因此在另一側(cè)的塑性區(qū)寬度計(jì)算公式可以表示為：

式中：m 為煤層的開采厚度；φ 為煤層的內(nèi)摩擦角；d 為開采擾動(dòng)因子，d=1.5～3.0；C 為煤層的粘聚力；σ1為煤柱極限強(qiáng)度；σx為煤壁的側(cè)向約束應(yīng)力；

β 為塑性區(qū)與核區(qū)界面處的側(cè)壓系數(shù)。[3,4]

圖2 合理煤柱寬度計(jì)算簡圖

根據(jù)對(duì)小保當(dāng)一號(hào)井2-2 煤的特點(diǎn)分析和性能測(cè)試，根據(jù)相關(guān)成果，巷道高度取4.2m，采高定為5.95m，選取塑性區(qū)寬度計(jì)算的其他參數(shù)見表1。

按巷道高度計(jì)算得區(qū)段煤柱寬度B＝18.68m。

按采高計(jì)算得區(qū)段煤柱寬度B＝24.17m。

因此，合理的煤柱范圍為18.68～24.17m。

表1 計(jì)算參數(shù)選取表

3 煤柱應(yīng)力分布規(guī)律數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

模型以小保當(dāng)煤礦2-2 煤層條件為依據(jù)，模型尺寸為517m×350m×180m（如圖3 所示）。

圖3 數(shù)值模擬模型

為了研究留設(shè)不同煤柱寬度時(shí)，巷道狀態(tài)，本次試驗(yàn)建立了3 個(gè)不同尺寸的煤柱模型。依次為112201 大采高綜采面2 個(gè)2-2 煤回風(fēng)順槽之間留設(shè)15m、20m、25m 煤柱，右側(cè)2-2 煤回風(fēng)順槽為留巷。

圖4 給出了煤層所在平面的工作面布置概況。圖4 中112201 大采高綜采面2 個(gè)2-2 煤回風(fēng)順槽之間的煤柱分別為15m、20m、25m；左邊2-2 煤回風(fēng)順槽左側(cè)為112201 工作面，約175m；右邊2-2 煤回風(fēng)順槽右側(cè)為實(shí)體煤，寬度分別為315m、310m、305m。

工作面回采后，可以假定采空區(qū)的位移以工作面的中心為對(duì)稱軸，因此左側(cè)邊界取半個(gè)工作面寬度，以便施加固定位移邊界條件。本小節(jié)選擇圖4（a）中的A-A 截面作為研究對(duì)象。A-A 截面在模型中與X軸平行，坐標(biāo)為Z=27，與工作面起始位置的距離為175m，可以避免工作面后方實(shí)體煤的影響。該位置的應(yīng)力分布可以代表整個(gè)工作面大部分范圍的受力狀況。圖中-160m 表示112201 工作面距離A-A 截面處為160m，A-A 截面尚未開采；5m 表示112201 工作面已經(jīng)采過A-A 截面5m，處于采空區(qū)內(nèi)部5m，其余圖例中數(shù)字的意義可類推。112201 工作面對(duì)應(yīng)的X軸坐標(biāo)范圍為0-175，左側(cè)膠運(yùn)順槽對(duì)應(yīng)的X 軸坐標(biāo)范圍為175-181，護(hù)巷煤柱對(duì)應(yīng)的X 軸坐標(biāo)范圍為181-196，右側(cè)輔運(yùn)順槽對(duì)應(yīng)的X 軸坐標(biāo)范圍為196-202。

圖4 煤層平面工作面布置圖

3.2 15m 煤柱時(shí)工作面回采過程中煤層中部垂直應(yīng)力分布

模擬了煤柱寬度15m 時(shí)112201 工作面回采過程中，A-A 截面處的垂直應(yīng)力變化過程，從圖5 可以看到112201 工作面與A-A 截面距離為160m 時(shí)，A-A 截面處的垂直應(yīng)力大致和原巖垂直應(yīng)力相當(dāng)，這說明在采煤工作面前方160m 以外區(qū)域，工作面的采動(dòng)影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)距離為70m 時(shí)，A-A 截面處已經(jīng)進(jìn)入112201 工作面超前應(yīng)力影響范圍，但超前應(yīng)力值不高，僅超出原巖應(yīng)力3.42MPa 左右。當(dāng)距離為10m 時(shí)，A-A 截面處超前應(yīng)力達(dá)到最大。當(dāng)112201 工作面回采經(jīng)過A-A 截面時(shí)，采煤工作面對(duì)應(yīng)位置垂直應(yīng)力開始下降，煤柱對(duì)應(yīng)位置垂直應(yīng)力明顯上升。當(dāng)A-A 截面滯后工作面35m 時(shí)，A-A 截面上工作面對(duì)應(yīng)位置成為采空區(qū)，垂直應(yīng)力急劇降低，工作面中心應(yīng)力為2.25MPa，右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力大幅度上升，其中煤柱最高應(yīng)力達(dá)到38.04MPa；當(dāng)滯后距離為65m 時(shí)，A-A 截面上對(duì)應(yīng)的采空區(qū)垂直應(yīng)力上升，在112201 工作面中心應(yīng)力達(dá)到2.94MPa，這說明采空區(qū)冒落體正在經(jīng)歷應(yīng)變-硬化過程，右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力繼續(xù)上升；此后，這一趨勢(shì)一直持續(xù)到滯后距離大約125m，A-A 截面的垂直應(yīng)力基本穩(wěn)定下來，采空區(qū)最高應(yīng)力達(dá)到4.43MPa，大約相當(dāng)47.3%的原巖應(yīng)力水平，煤柱應(yīng)力達(dá)到20.6MPa，大約相當(dāng)220%的原巖應(yīng)力水平。

圖5 15m 煤柱時(shí)A-A 截面處垂直應(yīng)力分布與工作面距離關(guān)系

3.3 20m 煤柱時(shí)工作面回采過程中煤層中部垂直應(yīng)力分布

圖6 所示為煤柱寬度20m 時(shí)，112201 工作面回采過程中，A-A 截面處的垂直應(yīng)力變化過程。由圖可知1 當(dāng)距離為70m 時(shí)，A-A 截面處已經(jīng)進(jìn)入112201工作面超前應(yīng)力影響范圍，但超前應(yīng)力值不高，僅超出原巖應(yīng)力2.84MPa 左右。當(dāng)距離為10m 時(shí)，A-A 截面處超前應(yīng)力達(dá)到最大，超前應(yīng)力最大值為16.15MPa，超出原巖應(yīng)力約6.78MPa，最大值出現(xiàn)在距護(hù)巷煤柱左側(cè)約9m 位置。

當(dāng)112201 工作面回采經(jīng)過A-A 截面時(shí)，采煤工作面對(duì)應(yīng)位置垂直應(yīng)力開始下降，煤柱對(duì)應(yīng)位置垂直應(yīng)力明顯上升。當(dāng)A-A 截面滯后工作面35m 時(shí)，A-A 截面上工作面對(duì)應(yīng)位置成為采空區(qū)，垂直應(yīng)力急劇降低，工作面中心應(yīng)力為2.27MPa，右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力大幅度上升，其中煤柱最高應(yīng)力達(dá)到28.62MPa；當(dāng)滯后距離為65m 時(shí)，A-A 截面上對(duì)應(yīng)的采空區(qū)垂直應(yīng)力上升，在112201 工作面中心應(yīng)力達(dá)到2.97MPa，這說明采空區(qū)冒落體正在經(jīng)歷應(yīng)變-硬化過程，右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力繼續(xù)上升；此后，這一趨勢(shì)一直持續(xù)到滯后距離大約155m，A-A 截面采空區(qū)最高應(yīng)力達(dá)到5.24MPa，大約相當(dāng)55.9%的原巖應(yīng)力水平，煤柱應(yīng)力達(dá)到35.14MPa，大約相當(dāng)375%的原巖應(yīng)力水平。

圖6 20m 煤柱時(shí)A-A 截面處垂直應(yīng)力分布與工作面距離關(guān)系

3.4 25m 煤柱時(shí)工作面回采過程中煤層中部垂直應(yīng)力分布

圖7 所示為煤柱寬度25m 時(shí)，112201 工作面回采過程中，A-A 截面處的垂直應(yīng)力變化過程。由圖可知當(dāng)距離為40m 時(shí)，A-A 截面處已經(jīng)進(jìn)入112201 工作面超前應(yīng)力影響范圍，但超前應(yīng)力值不高，僅超出原巖應(yīng)力3.78MPa 左右。當(dāng)距離為10m 時(shí)，A-A 截面處超前應(yīng)力達(dá)到最大，超前應(yīng)力最大值為15.66MPa，超出原巖應(yīng)力約6.29MPa，最大值出現(xiàn)在距護(hù)巷煤柱左側(cè)約9m 位置。

當(dāng)112201 工作面回采經(jīng)過A-A 截面時(shí)，采煤工作面對(duì)應(yīng)位置垂直應(yīng)力開始下降，煤柱對(duì)應(yīng)位置垂直應(yīng)力明顯上升。當(dāng)A-A 截面滯后工作面5m時(shí)，A-A 截面上工作面對(duì)應(yīng)位置成為采空區(qū)，垂直應(yīng)力急劇降低，工作面中心應(yīng)力為1.01MPa，右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力大幅度上升，其中煤柱最高應(yīng)力達(dá)到18.00MPa；當(dāng)滯后距離為35m 時(shí)，A-A 截面上對(duì)應(yīng)的采空區(qū)垂直應(yīng)力上升，在112201 工作面中心應(yīng)力達(dá)到2.10MPa，這說明采空區(qū)冒落體正在經(jīng)歷應(yīng)變- 硬化過程，右側(cè)煤柱垂直應(yīng)力繼續(xù)上升；此后，這一趨勢(shì)一直持續(xù)到滯后距離大約155mm，A-A 截面采空區(qū)最高應(yīng)力達(dá)到4.61MPa，大約相當(dāng)49.2%的原巖應(yīng)力水平，煤柱應(yīng)力達(dá)到34.24MPa，大約相當(dāng)365%的原巖應(yīng)力水平。

圖7 25m 煤柱時(shí)A-A 截面處垂直應(yīng)力分布與工作面距離關(guān)系

4 煤柱尺寸合理范圍

對(duì)現(xiàn)場的條件進(jìn)行分析后，采用采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算出的煤柱尺寸明顯偏大，通過采用安全系數(shù)法和極限平衡理論兩種思路分析護(hù)巷煤柱范圍為18.68～24.17m[6]，同前文的數(shù)值模擬可以看出，我們分別模擬了15m 煤柱，20m 煤柱，25m 煤柱的應(yīng)力分布特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)應(yīng)各煤柱中的彈塑性區(qū)分布進(jìn)行了分析，可以看出，20m 煤柱時(shí)，煤柱中間具有一定的彈性區(qū)，具有一定的富裕支護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)結(jié)合周圍礦井的開采實(shí)例，小保當(dāng)煤柱的運(yùn)輸巷和軌道巷的煤柱尺寸按照20m 進(jìn)行留設(shè)。

需要指出的是，對(duì)于輔運(yùn)巷這種二次復(fù)用巷道普遍存在巷道底鼓問題，因此，在復(fù)用之前一般都要進(jìn)行起底處理[8]。另外，二次動(dòng)壓巷道的穩(wěn)定性與煤柱尺寸和巷道的支護(hù)形式都密切相關(guān)。因此煤柱尺寸的優(yōu)化和二次動(dòng)壓巷道支護(hù)技術(shù)的研究同等重要[7]。

通過數(shù)值模擬分析，在隨著煤柱寬度增加，A-A煤柱區(qū)域應(yīng)力顯示降低趨勢(shì)，但20m 和25m 煤柱的應(yīng)力最大值相似，煤柱中間均出現(xiàn)彈性區(qū)，具有一定的富裕支護(hù)強(qiáng)度[9]，同時(shí)結(jié)合周圍礦井的開采實(shí)例和理論分析，綜合確定小保當(dāng)煤柱的運(yùn)輸巷和軌道巷的煤柱尺寸按照20m 進(jìn)行留設(shè)。