大采高工作面護巷煤柱合理寬度探討

楊 瑜

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602）

1 工程概況

干河煤礦所采2#煤層平均厚度4.2 m，夾有0.55 m和0.10 m兩層矸石，平均傾角6°。煤層直接底、直接頂均為砂質(zhì)泥巖，老底、老頂分別為K7與K8中粒砂巖，目前2-105 大采高綜采工作面進入末采階段，巷道采用錨網(wǎng)索支護，2-105 工作面運輸順槽支護參數(shù)見圖1。該工作面東側(cè)臨近的2-107 工作面為準備工作面。該礦工作面之間采用20 m傳統(tǒng)煤柱進行護巷，缺乏理論依據(jù)。為了科學的留設(shè)工作面保護煤柱，現(xiàn)對2-105 工作面與2-107 工作面之間合理保護煤柱寬度進行研究，以求在保證2-107 工作面安全回采的基礎(chǔ)上縮小工作面護巷煤柱的寬度，提升煤炭資源回收率。

圖1 2-105 工作面順槽支護參數(shù)

2 護巷煤柱合理寬度理論計算

極限平衡理論、彈性核理論計算法及載荷估算法為目前工作面護巷煤柱的主要理論計算方法，綜合運用三種煤柱寬度計算方法得到干河煤礦2-107工作面沿空護巷煤柱的合理寬度。

2.1 極限平衡理論計算法

極限平衡理論認為沿空巷道開挖后，所留設(shè)煤柱中靠近巷道部分煤體由支護體系進行控制，靠近采空區(qū)部分煤體受應(yīng)力作用而進入塑性狀態(tài)，兩部分煤體之間存在一定極限寬度的煤體維持整個煤柱的穩(wěn)定。極限平衡理論煤柱計算模型見圖1，煤柱合理寬度的計算見式（1）［1］。

圖2 限平衡理論沿空巷道柱寬度計算模型

式中：X為極限平衡理論下所得合理煤柱寬度，m；X0為所留煤柱中靠近上工作面采空區(qū)煤壁無支護下產(chǎn)生塑性區(qū)的寬度，通過式（2）計算；X1為沿空掘巷所留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性系數(shù)，通過X1=0.3（X0+X2）計算；X2為所留煤柱靠近巷道一側(cè)由巷道支護體系中錨桿有效錨固煤體的長度，取2.4 m。

式中：C0為煤層黏聚力，取3 MPa；λ為沿空巷道所處應(yīng)力環(huán)境下的側(cè)壓系數(shù)，取1.5；m為采高，4.2 m；k為沿空巷道所處應(yīng)力環(huán)境下的應(yīng)力集中系數(shù)，取3；φ0為煤的內(nèi)摩擦角，取18°；P0為道支護體系下煤柱幫支護阻力，取0.5 MPa；H為沿空巷道埋深，取210 m；γ為煤層覆巖平均容重，26.8 kN/m3。

參數(shù)代入式（2）得到X0=9.24 m，進而得到X1=0.3（X0+X2）=3.5 m，上述計算結(jié)果代入式（1）最終得到極限平衡理論下2-107 工作面回風順槽沿空掘巷合理煤柱寬度應(yīng)為15.14 m。

2.2 彈性核理論計算法

彈性核理論要求煤柱中部有分隔兩側(cè)塑性區(qū)的彈性區(qū)域，且煤柱中部彈性區(qū)的寬度要大于等于2 倍的煤層采高，使得彈性核理論［2］下煤柱的合理寬度由式（3）得到，即由煤柱兩側(cè)的塑性區(qū)和中部的彈性區(qū)共三部分構(gòu)成。

式中：X0與上文含義相同，2m為二倍煤層采高，取8.4 m；X3為煤柱靠近巷道一側(cè)應(yīng)力作用下形成的塑性區(qū)寬度，由式（4）計算得到。

式中：α 與K 為廣義Mises 準則系數(shù)，α=sinφ0/；f0為頂?shù)装鍘r層與所留設(shè)煤柱間的摩擦因數(shù)，取1.1；將參數(shù)代入式（4）得到X3=0.15 m。將上述計算結(jié)果代入式（3）即得到彈性核理論下2-107工作面回風順槽沿空掘巷合理煤柱寬度應(yīng)為17.79 m。

2.3 載荷估算法

載荷估算法要求合理寬度的煤柱所具備的極限強度應(yīng)大于等于煤柱所承受的載荷，才能保證煤柱的穩(wěn)定性，而煤柱所承受載荷［3］由煤柱上方覆巖自重、煤柱側(cè)向破斷未垮落覆巖重量、未隨采垮落覆巖傳遞應(yīng)力共同構(gòu)成，由式（5）得到：

式中：D為工作面斜長，取180 m；L為載荷估算法下的合理的煤柱寬度，m；δ為上工作面采空后覆巖垮落角，取13°，煤柱的極限強度由式（6）計算得到：

式中：RC為所采煤層煤的單軸抗壓強度，取8 MPa。而煤柱所受平均應(yīng)力σ=P/R。當時σ≤R，煤柱可保持穩(wěn)定，聯(lián)立式（5）、（6）得到B≥16.4 m。

綜上，極限平衡理論、彈性核理論及載荷估算法所得2-107 工作面回風順槽護巷煤柱的合理寬度分別為：15.14 m、17.79 m、大于等于16.4 m。為了便于現(xiàn)場施工，最終確定2-107 工作面護巷煤柱的合理寬度為18 m。

3 護巷煤柱合理性數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

通過UDEC軟件［4］選用Mohr-coulomb模型結(jié)合該工作面圍巖的具體力學參數(shù)，模型頂部施加6 MPa的垂直應(yīng)力代替覆巖應(yīng)力，建立2-107 工作面留設(shè)18 m護巷煤柱掘巷模型；模型高64 m、長160 m、寬60 m；模型四周及底部設(shè)置位移約束，對該護巷煤柱寬度下2-107 工作面回風順槽圍巖變形情況及煤柱內(nèi)鉛直應(yīng)力的變化情況進行分析，驗證18 m寬護巷煤柱的合理性，2-107 工作面圍巖的力學參數(shù)見表1。

表1 2#煤層頂?shù)装鍘r層力學參數(shù)

因為工作面端頭處回采巷道圍巖破壞受到巷道掘進和回采的雙重影響，并且是決定工作面能否正常安全回采的關(guān)鍵部位，所以選取該處進行回風順槽的表面位移數(shù)值模擬。回風順槽左側(cè)為2-105工作面采空區(qū)，中間留設(shè)18 m寬的護巷煤柱，支護參數(shù)同圖1。在煤柱從沿空側(cè)到實體煤一側(cè)上，每隔2 m布置一個鉛直應(yīng)力監(jiān)測點，共A1—A7七個監(jiān)測點，監(jiān)測煤柱內(nèi)部的應(yīng)力變化，并使用“十字測量法”對巷道的表面位移情況進行記錄。

3.2 推進方案

第一步：運算UDEC數(shù)值模型至初始平衡；第二步：分9 次開挖左側(cè)2-105 工作面，每次開挖10 m，整個2-105 工作面開挖過程運行19 萬次達到平衡；第三步：留設(shè)18 m護巷煤柱，開挖2-107 工作面回風順槽，模擬巷道支護采用圖1 的基礎(chǔ)支護，運行8 萬步模型達到最終平衡。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3 為18 m 煤柱護巷條件下巷道圍巖及煤柱的應(yīng)力應(yīng)變特征圖。其中，圖3（a）為回風順槽圍巖變形情況；圖3（b）為煤柱監(jiān)測點鉛直應(yīng)力變化；圖3（c）為垂直位移情況；圖3（d）為水平位移情況。

圖3 18 m煤柱護巷條件下圍巖及煤柱的應(yīng)力應(yīng)變

圖3（a）反映了2-107 工作面回風順槽掘巷完成后，18 m護巷煤柱及圍巖變形情況；圖3（b）統(tǒng)計了回風順槽掘巷前后18 m煤柱內(nèi)監(jiān)測點鉛直應(yīng)力變化情況。觀察圖3（b）發(fā)現(xiàn)，由于順槽未開挖前的煤體的鉛直應(yīng)力，在順槽開挖穩(wěn)定后全部由18 m護巷煤柱承擔，所以在回風順槽開挖后護巷煤柱內(nèi)各個監(jiān)測點上的鉛直應(yīng)力都有所增加。在回風順槽掘巷前，煤柱的平均鉛直應(yīng)力為6.11 MPa，在回風順槽掘巷后，煤柱的平均鉛直應(yīng)力上升至9.23 MPa。7 個測點中，A1監(jiān)測點的鉛直應(yīng)力在掘巷前為0.37 MPa，在回風順槽掘巷后增加至1.67 MPa，該點最大鉛直應(yīng)力的增加量為順槽開挖前的4.5 倍。說明煤柱在巷道開挖后能夠起到良好的支承作用，18 m護巷煤柱較穩(wěn)定，留設(shè)18 m護巷煤柱的方案可行。觀察圖（c）發(fā)現(xiàn)，2-107 工作面回風順槽掘巷施工完成后，回風順槽頂板的下沉量為0.15～0.25 m，底板的鼓起量為0.1～0.2 m。圖（d）顯示，回風順槽內(nèi)煤柱幫移近量為0.2～0.3 m，實體煤幫的移近量為0～0.1 m。

由以上分析得，18 m護巷煤柱在回風順槽掘巷后所受鉛直應(yīng)力迅速升高，7 個測點中最大鉛直應(yīng)力增加至掘巷前的4.5 倍，且巷道掘進后圍巖變形在合理范圍內(nèi)，說明煤柱在巷道開挖后能夠起到良好的支承作用，18 m寬的護巷煤柱較穩(wěn)定，留設(shè)18 m護巷煤柱方案可行。

4 應(yīng)用效果分析

干河煤礦現(xiàn)場留設(shè)18 m護巷煤柱掘進2-107工作面回風順槽，上工作面回采結(jié)束垮落穩(wěn)定后，本工作面回采過程中，在超前工作面50 m處2-107回風順槽與2-105 工作面采空區(qū)之間煤柱內(nèi)布置鉆孔應(yīng)力計測點，煤柱內(nèi)部0～18 m深度上每遞增2 m布置一個鉆孔應(yīng)力計，共9 個，測點布置見圖4。18 m護巷煤柱內(nèi)支承壓力分布曲線見圖5。

圖4 護巷煤柱內(nèi)不同深度鉆孔應(yīng)力計布置

圖5 2-107工作面回采過程中18 m護巷煤柱內(nèi)部支承壓力分布曲線

圖5 顯示，2-107 工作面回采至距測點15 m和5 m時，煤柱內(nèi)側(cè)向支承壓力峰值分別為17.6 MPa和49 MPa，即距工作面越近煤柱所受支承壓力越高；但是測點距工作面不同距離時煤柱內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力集中的位置基本相同，圖5 中煤柱距工作面15 m時煤柱內(nèi)部彈性核寬度為12 m，距工作面5 m時煤柱內(nèi)部彈性核寬度為11.6 m，距工作面不同距離時煤柱內(nèi)彈性核寬度均大于2 倍的煤層采高，故18 m寬煤柱可以保證2-107 工作面的安全回采。

5 結(jié)語

結(jié)合干河煤礦2-107 工作面回風順槽的具體地質(zhì)條件，通過理論計算確定了該工作面合理的護巷煤柱寬度為18 m，并運用數(shù)值模擬方法對18 m護巷煤柱的合理性進行驗證。現(xiàn)場18 m護巷煤柱內(nèi)部布置鉆孔應(yīng)力計實測的應(yīng)力變化情況表明，煤柱中部存在寬度大于2 倍采高的彈性核，可以保證2-107 工作面的安全回采，因此該工作面留設(shè)18 m寬度煤柱進行護巷合理。